Projektlabor Robotik MINTgrün

Unser Roboter soll in der Lage sein Getränke aus bis zu 5 ihm zu Verfügung stehenden Grundgetränken zu mixen. Dabei soll die Anfrage über ein 4×4 Numpad eingegeben werden. Der Fortschritt der Eingabe wird dabei auf einem 16×2 LCD Bildschirm ausgegeben. Das gemischte Getränk soll in einen Behälter gefüllt werden, welcher vom Benutzer bereit gestellt werden muss. Dabei soll der Roboter in der Lage sein das Verhältnis der zu mischenden Getränke möglichst genau einzustellen und passend auszugeben.

Der Roboter besteht insegsamt aus 5 Baugruppen. Einige dieser Baugruppen arbeiten dabei näher miteinander als andere.

• dem Gerüst
• der Flaschenebene
• der Ventilebene
• Gorbatschow Ebene
• dem Ausgabekasten
• der Schaltung

Das Gerüst bildet die Grundlage des Roboters. Es ist ein 40cm*40cm*80cm großer Kasten aus Holz, welcher mit Metallplatten beschraubt ist. Jede dieser Metallplatten ist individuell gestaltet. Auch sind die Seiten mit Scharnieren versehen, welche das Öffnen des Roboters erlauben. An der Deckenpaltte befinden sich Griffe, welche das einfache Tragen ermöglichen.

Die Flaschenebene ist die oberste der Ebenen und ist wie die anderen auf Winkeln aufgelegt, welche sie festhalten, allerdings das herausnehmen der Ebene erlauben. Diese Ebene ist aus Holz und hat insgesamt 6 Einschnitte, welche das Halten der 6 Flaschen erlauben. Diese Einschnitte sind am Rand mit Schaumstoff ausgestattet um die Flaschen an ihrem Platz zu halten.

Die Ventilebene ist unter der Flaschenebene und hält die Ventile, sowie die Schaltung. In dieser Ebene sind 6 Löcher für die einzelnen Ventile angebracht.

Die Gorbatschow Ebene ist lediglich dazu da den Gorbaschow zu halten, welcher als Auffanggefäß der Flüssigkeit der Schläuche dient. Dabei ist der Gorbatschow schräg im Roboter, so dass er herausnehmbar ist.

Der Ausgabekasten hat ein Loch für den Hals des Gorbatschow und dient der Ausgabe des Getränks. Das vom Benutzer bereitgestellte Gefäß wird hier hineingestellt.

Die Schaltung befindet sich auf der Ventilebene und steuert die Elektronik. Sie dient der Ansteuerung der Ventile, sowie des Bildschirms und der Verarbeitung der Anweisungen des Numpads. Dafür beinhaltet sie einen Arduino Mega sowie diverse andere Bauteile.

Das Gerüst besteht aus 2cm x 2cm dicken Holzstangen, welche einen 40cm x 40cm x 80cm großen Umriss eines Kastens bilden. Diese Maße wurden im Vorhinein gewählt mit dem Gedanken an die beinhalteten Bauteile. Das Gerüst wird durch Holzplatten an jeder Seite gefestigt, welche weiterhin mit gestalteten Metallplatten zusammen geschraubt wurden. Es beinhaltet weiterhin Winkel an den Holzstangen, die dazu dienen die Platten innerhalb des Gerüstes zu halten und zu stabilisieren.

Die Platten sind dem von uns gewählten Thema nach designed. Die Front trägt den Namen des Roboters und hat Löcher für Ausgabekasten, Numpad, Bildschirm, Sichtscheibe sowie für eine Box auf der über Bluetooth Musik gespielt werden kann(vorzugsweise Hardbass). Die Seitenplatten sind ebenfalls besprayed und besitzen Scharniere, sowie Schlösser, welche das einfache Öffnen des Roboters erlauben. Die Deckenpaltte ist mit 2 Griffen versehen, an denen man den Roboter sehr praktisch zu zweit umher tragen kann. Die Rückwand ist ebenfalls besprayed, an ihr sind allerdings noch zusätzlich ein handgeschmiedeter Hammer und Sichel als Dekoration angebracht, welche wir selbst aus Metallresten geschmiedet haben.

Im Gerüst angebracht ist eine Leiste aus Schwarzlicht LEDs. Diese ziehen sich sowohl durch den ganzen Kasten als auch durch die Ebenen sowie den Ausgabekasten. Sie können über einen Schalter im Inneren angeschaltet werden.

Wie bereits bei der Beschreibung erwähnt dienen die Zwischenebenen unter anderem dazu, die Konstruktion zu stabilisieren und gerade zu ziehen. Jede Ebene hat jedoch auch seine eigene Aufgabe. Die oberste Ebene ist die, welche die sechs Flaschen hält. Sie liegt wie die anderen Zwischenebenen auch lose auf Winkeln auf, welche mit dem Rahmen verschraubt sind. Jede Zwischenebene unter der Flaschenhalterung hat einen Einschnitt auf Seiten der Rückwand, welcher als Kabelkanal dient. Auch ist in jeder dieser Platten ein Loch damit die Gorbatschow Flasche an seiner Position fixiert wird.

Die Gorbatschow Flasche hat ein Loch an der Vorderseite, mit abgeschliffenen Schnittkanten. Hier kommen alle Schläuche aus den einzelnen Ventilen zusammen. Auch ist ein Cocktailausgießer auf der Flasche, damit nichts verschüttet wird.

Der Ausgabekasten ist offensichtlich für die Ausgabe des fertigen Getränks zuständig. Dafür ragt die Spitze der Grobatschow Flasche in den Kasten hinein, ausgestattet mit einem Cocktailausatz. Wird ein großes Getränk gewählt ist die Gesamtmenge bei 100% 360ml, bei Normal 240ml und ein Shot ist 20ml. Bei der Ausgabe an sich hatten wir zu Beginn Probleme, da wir nicht wussten wie viel Flüssigkeit pro Zeiteinheit durch unsere Ventile kommt. Um das zu ermitteln haben wir einige Messungen gemacht.

Mit diesen Messungen haben wir dann errechnet wie lange ein Ventil offen sein muss, damit eine bestimmte Menge an Flüssigkeit durchfließt, unter der Annahme dass der Durchfluss bei einer konstanten Rate ist.

Allerdings haben wir bei diesen Messungen nicht bedacht das unsere Schläuche am Ende anders verlaufen werden, beziehungsweise länger sein werden. Daher sind diese Messungen falsch und die tatsächliche Ausgabe unsereres Roboters war deutlich niedriger. Unsere Vermutung, dass sich mit geringerem Füllvolumen in den Flaschen der Ausfluss weniger wird, hat sich allerdings bestätigt.

Zusätzlich hatten wir mit der Dichtung sowohl an den Ventilen selber, sowie mit allem was mit einem Schlauch angeschlossen ist(an den Flaschen) Probleme. An den Flaschen haben wir dies mit Heißkleber gelöst, allerdings ist diese Lösung erstmal temporär bis wir etwas besseres gefunden haben, da diese Dichtung sich selbst schnell wider auflöst, wenn irgendwie an den Flaschen gerüttelt wird. Zur Abdichtung der Ventile haben wir Gewindedichter aus dem Baumarkt geholt.

Das Prinzip hinter der Schaltung ist sehr simpel. Die Ventile werden mithilfe von MOSFETs angesteuert. Dafür wird die Schaltung aus dem Wiki zum ansteuern von MOSFETs genutzt (hier gehts zum entsprechenden Artikel). Die sechs Ventile sind alle als getrennte Stromkreise auf dem selben Ground geschaltet. Der strom für die Ventile kommt durch ein Netzteil, wobei die Spannung mittels des Stepdown-coverters auf 11V geregelt wird.

Bildschirm sowie Numpad sind ebenfalls getrennt angeschlossen. Die Schaltpläne, sowie eine Erklärung wie das Numpad genutzt wird/ funktioniert findet man hier. Der Bildschirm wird ebenfalls getrennt angesteuert. Wie genau findet man hier. Mit dem Potentiometer in der Schaltung kann die Helligkeit des Bildschirms reguliert werden.

In unserer Schaltung sind die Schaltungen schematisch identisch zu den Exemplaren in den Wiki Einträgen, nur das Pinout ist offensichtlich ein anderes. Zudem benutzten wir bei der Schaltung für induktive Lasten 150 Ohm Widerstände, anstatt des 125 Ohm welche im Wiki-Eintrag benutzt werden. Unser Pinout ist wie folgt:

LCD

• LCD RS pin to D40
• LCD Enable to D42
• LCD D4 to D46
• LCD D5 to D48
• LCD D6 to D50
• LCD D7 to D52
• CD R/W pin to ground

Numpad

• rowPins = {24, 26, 28, 30};
• colPins = {32, 34, 36, 38};

Ventile

• v0 → 33
• v1 → 35
• v2 → 37
• v3 → 39
• v4 → 41
• v5 → 43

arduino_code.zip

Verbaute Bauteile:

• 1x Arduino Mega
• 6x 12V Magnetventile
• 1x 16×2 lcd Bildschirm
• 1x 4×4 Numpad
• 6x Mosfets
• 1x Stepdownconverter
• 1x 12V Netzteil
• 1x Potentiometer
• 6x Rückflussdiode
• 6x 10k Ohm Wiederstand
• 6x 150 Ohm Wiederstand
• 1x 100 Ohm Wiederstand

Unser Roboter läuft auf Netzstrom, heißt damit er funktioniert muss die Steckerleiste, welche im Roboter verbaut ist in eine passende Steckdose gesteckt sein. Auch denken wir, dass es nicht sonderlich gut für die Ventile ist, wenn diese länger als ein paar Stunden angeschlossen sind, da diese sich dann langsam aufheizen, selbst wenn sie mit 11V betrieben werden. Um das zu verhindern könnte man die Spannung etwas runterregeln, allerdings schalten die Ventile dann etwas langsamer.

Wir haben unsere Arbeit, wie in dem folgenden Gantt-Diagramm geplant. Auch haben wir es fast geschafft diesen Plan einzuhalten. Allerdings wurde es aufgrund der Präsentation im Rahmen der Abschlusspräsentation der MINT-Grün Labore etwas knapp. Dennoch haben wir es rechtzeitig geschafft alles bis auf die Seitenwände fertigzustellen.

Die Seitenwände sind nach dem Ende der Vorlesungszeit im Blockkurs fertig geworden. Auch haben wir in dieser Zeit noch diverse Macken behoben und einen neuen Gorbatschow zugeschnitten. Zusätzlich haben wir die Zeit des Blockkurses für das verfassen der Dokumentation genutzt.

Fazit Matthias:

Vorne weg kann Ich bereits sagen, dass mir das Robotik-Labor sehr viel Spaß gemacht hat und mir auch in vielen Bereichen neue Dinge aufgezeigt hat. Innerhalb der Hausaufgaben während des Crashkurses habe Ich gelernt Schaltung halbwegs sinnvoll zu stecken und diese dann anzusteuern. Meine Kenntnisse um das Thema der Elektrotechnik wurden auch etwas aufgefrischt. Das praktische Arbeiten an unserem Projekt war jedoch definitiv mein Highlight des Labores. Hier konnte man sich kreativ austoben und es gab kaum Einschränkungen. Die Arbeit mit Materialien wie Plexiglas, Metall und Glas waren besonders interessant, da hier großer Lernbedarf bestand. Dieser wurde dann erfreulicher Weise auch gedeckt und Ich fühle mich sicherer, wenn Ich mit diesen Materialen arbeiten muss. Trotz zahlreicher kleiner Probleme bin Ich auch mit dem Endprodukt unseres Projektes sehr zufrieden. Natürlich hätte man einige Dinge weitaus besser planen können und es gab einige unnötige Fehler, doch das kann Ich mir persönlich für ein privates Schrauber-Projekt merken. Ich hatte sehr viel Spaß und kann dieses Labor nur weiteren Studierenden empfehlen, die Lust haben ein bisschen zu Schrauben und sich mit Informatik auskennen.

Fazit Lukas:

Das Labor war eine tolle Erfahrung. Durch die Veranstaltungen wurde uns der Umgang mit Hard- und Software super beigebracht und durch die sofortige Anwendung des Erlernten ist mir mehr hängen geblieben, als in manch anderen Modulen. Die Veranstaltungen vor dem eigenen Projekt fande ich sehr interessant und super hilfreich, wenn man noch nie was mit Robotik zu tun hatte. Die Hausaufgaben waren ebenfalls sehr gut, da diese immer mit dem Erlernten der vorherigen Veranstaltung zu tun hatten und darauf aufbauten. Dennoch am tollsten fande ich am Labor die Zeit, als man mit dem eigene Projekt begonnen hat, da man mit “Null” Wissen angefangen hat und viele neue Sachen gelernt hat. Zum Beispiel wie man mit unterschiedlichen Materialien umgeht und wie man aus einer Idee einen Plan macht und diesen dann umsetzt. Ebenfalls wie man mit Problemen in der Umsetzung umgeht. Alles in Allem bin ich mit dem Resultat sehr zufrieden, selbst wenn es paar Streitpunkte gab *hust* die Türen *hust* und würde das Labor jeden Studierenden empfehlen, da es eine angenehme Abwechslung zu den trockenen Modulen im normalen Studium ist.

Fazit Jan:

Mir hat das Labor sehr gut gefallen. Die Möglichkeit einfach mal eine eigene Idee umzusetzten und dafur die richtigen Materialien an die Hand zu bekommen finde ich großartig. Gerade der Crashkurs am Anfang hat sehr geholfen. Ich habe davor vielleicht mal ne Schlatung von meinem Bruder erklärt bekommen, aber wirkliches Verständnis hatte ich da nicht. Zu unserem Projekt selbst kann ich nur sagen, dass ich mit unserem Ergebnis sehr zufrieden bin. Klar unser Genosse hat noch die ein oder andere Macke, aber das gesamtprodukt ist super. Rückblickend hättten wir etwas mehr planen, beziehungsweise besser planen können. Alles in allem kann ich nur sagen, ich würde das Modul und unsere Herangehensweise jedem empfehlen, der in diese Richtung Interesse zeigt.