160211_Spinnenroboter_Projektbericht

Deckblatt
Teilnehmer:
Gruppensprecher
Junior, Landu Mfumu (15 Jahre alt),
(Städt. Hugo-Junkers-Gymnasium,
41236 Mönchengladbach)
Teilnehmer 2
Mohamed Boulahroud (15 Jahre alt),
(Städt. Hugo-Junkers-Gymnasium,
41236 Mönchengladbach)
Teilnehmer 3
Ömer, Mirza Turan (14 Jahre alt),
(Städt. Hugo-Junkers-Gymnasium, 41236
Mönchengladbach)
Fachgebiet:
Technik
Wettbewerbssparte:
Jugend
Bundesland:
Nordrhein-Westfalen
Wettbewerbsjahr:
2016
forscht
Projektbetreuer:
Name:
Marcus Hübner
Schulname: Städt. Hugo-Junkers-Gymnasium
Schule:
Straße: Brucknerallee 58 – 60
PLZ, Ort: 41236 Mönchengladbach
Telefon: (02166) 628700
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Kurzfassung:
Unser Ziel war es herauszufinden, ob ein geländegängiger
Spinnenroboter, durch eine Anbringung von SG90-Servos, einer
liveübertragenden
Kamera
und
einer
Brandschutzfolie,
Informationen aus einem nicht betretbarem Gebäude senden
kann. Dazu sammelten wir Informationen aus dem Unterricht
und vor allem dem Internet. Wir fanden heraus, dass sich Holz
für das Modell des Roboters am besten eignet, da es sehr
robust und stabil ist. Darüber hinaus haben wir uns zwei
Steuerungsplatinen angesehen und stellten fest, dass das
Arduino Uno für die Kontrolle der Hardware am besten
geeignet
ist.
Unsere
Servos
sind
vergleichbar
mit
den
menschlichen Kugelgelenken, welche die Beine bis zu 180°
nach links oder rechts bewegen können. Unsere selbstgebaute
Remote-Control verfügt über einen Neigungssenor, der wie eine
Wasserwaage die Position ermittelt und die Informationen dann
zum Empfänger sendet, der diese dann in die entsprechende
Bewegung
umsetzt.
Brandschutzfolie
an,
Zum
Schluss
wodurch
der
brachten
wir
Spinnenroboter
eine
gegen
Schmutz, Rauch und Hitze geschützt ist. Die Art unseres
Antriebs ähnelt dabei einem Vierbeiner.
Während der Entwicklung des Roboters, sammelten wir viele
unterschiedliche Erfahrungen im Bereich der Technik. Wie
erkannten,
wie
schwierig
und
anstrengend
ein
solches
Vorhaben sein kann, aber am Ende haben wir unser Ziel doch
erreicht. Bei der Verwirklichung dieses Projekts half uns die
Rütgers Stiftung, die unser Projekt finanziell unterstützt hat.
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Inhaltsverzeichnis:
1.
Einleitung
1.1. Themenauswahl
1.2. Erwünschtes Ergebnis
2.
Hauptteil
2.1. Materialien
2.2. Vorgehensweise
2.3. Methode
2.4. Beobachtung
2.5. Ergebnisse
2.6. Ergebnisdiskussion
3.Zusammenfassung
4.Quellen- und Literaturverzeichnis
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1.Einleitung
1.1 Themenauswahl
Um an Jugend forscht 2016 im Bereich Technik teilnehmen zu
können, brauchten wir am Anfang des Projektes eine wirklich
gute Idee. Wir wollten etwas entwickeln, was den Menschen
ganz im Allgemeinen hilft und am besten sogar Leben retten
kann. Da uns die Fächer Physik, Technik und Mathe/Informatik
besonders großen Spaß machen, überlegten wir uns ein
Vorhaben, welches diese drei Unterrichtsfächer miteinander
verbinden konnte. Dann sammelten wir einige Ideen. Die
realistischste von diesen Ideen war, einen geländegängigen
Roboter, mit einer Live-Kamera zu bauen, der in Notsituationen
Räume betreten kann, die für Menschen nicht mehr betretbar
sind.
Um den Roboter auch hitzebeständig zu machen brachten wir
zum Schluss eine Brandschutzfolie an. Dabei half uns der
Chemieunterricht,
Brandgefahren
da
und
wir
den
in
Klasse
Schutz
7
vor
die
Brandklassen,
diesen
Gefahren
thematisiert hatten. Darüber hinaus haben wir uns im Fach
Mathematik/Informatik mit dem Thema
,,Programmieren und
Skripte“ über einen längeren Zeitraum ausführlich befasst,
womit wir dann Skripte, Programme und Channels auf die
Servos programmieren konnten.
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1.2 Erwünschtes Ergebnis
Wir wollten einen sechsbeinigen Roboter bauen, der in der
Lage sein sollte in nicht betretbaren Räumen den Zustand
dieses Raumes aufzuklären. Dieser Roboter sollte durch eine
livebilderübertragenden Kamera Bilder senden. Dafür war die
Orientierung am Modell einer Spinne am besten geeignet, da
diese Lebewesen wendig und schnell sind. Er sollte dabei
folgende Bewegungen ausführen können. Er sollte sich vor- und
rückwärts bewegen können, zudem in der Lage sein seitlich
nach links und rechts zu gehen, zudem war es wünschenswert,
dass
er
spezielle
Geländebewegungen
ausführen
kann.
Außerdem haben wir gehofft, dass er Livebilder direkt auf ein
Smartphone oder einen Laptop überträgt.
2.Hauptteil
2.1. Materialien
Wir haben mit einer Stichsäge die einzelnen Formen der Spinne aus
einem 3mm dicken Holzstück gefräst und als Antrieb zwölf SG90Servos eingebaut. Das Herzstück der Spinne ist ein Arduino Uno, den
wir programmiert haben, um die entsprechenden Bewegungen mit
einer selbstgebauten Funkfernbedienung auszuführen zu können.
Um die 12 Servos kontrollieren zu können, bauten wir einen extra
Servocontroller ein, um den Arduino Uno zu entlasten.
Für die Stromversorgung schlossen wir ein Batteriefach mit 4 AA
Akkus an. Für die Funkübertragungen haben wir einen 2.4 Ghz
Sender an die Fernbedienung angeschlossen und den dazugehörigen
Empfänger in den Roboter eingebaut.
Die Fernbedienung besteht zudem aus zwei Joysticks, die von einer
Playstation
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stammen,
einem
Neigungssenor
und
weiteren
Funkelementen.
5
2.2
Vorgehensweise
Da wir erst vergleichsweise spät mit unserem Vorhaben
angefangen haben, hatten wir nicht sehr viel Zeit zur Verfügung,
was uns einerseits geholfen hat, da wir somit zielstrebiger und
exakter arbeiten mussten, andererseits standen wir unter
einem gewissen Zeitdruck.
Das Prinzip des Spinnenroboters haben wir selbst erarbeitet,
indem wir uns angeschaut haben, wie eine Spinne aufgebaut
ist, und wie die Gehbewegungen aussehen. Die Servos als
wichtige
Bauteile
sind
uns
auf
der
Suche
nach
den
preisgünstigsten Servos im Internet aufgefallen und dazu
kommt
noch,
dass
sie
rein
optisch
sehr
gut
zu
dem
Spinnenroboter passen.
Unterstützung bekamen wir vor allem in finanzieller Hinsicht
von der Rütgers Stiftung, die so großzügig war unser Projekt zu
finanzieren.
2.3
Methode
Methodisch
Verfahren
haben
wir
orientiert,
uns
am
welches
forschend
wir
entwickelnden
schon
aus
dem
naturwissenschaftlichen Unterricht kennen. D.h. wir haben
weitgehend
selbstständig
unter
Einbeziehung
unseres
theoretischen Vorwissens und einiger experimenteller Phasen
ein Problem gelöst, welches wir uns selbst gestellt hatten.
Nämlich Livebilder aus einem für nicht mehr zu betretenden
Raum
bzw.
Gebäude
zu
senden.
Das
eigentliche
Ausgangsproblem war nicht mit dem vorhandenen Vorwissen
oder unserer vorherigen Unterrichtserfahrung zu lösen, wir
mussten also in wirklichem Sinne forschend eine Lösung des
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Problems entdecken.
Unsere eigentliche Vorgehensweise war es sechs Beine zu
verwenden und die Servos als Gelenke zu benutzen. Für die
Beine, als auch für den Körper haben wir ca. 3mm dickes Holz
benutzt. Um das Holz zu Recht zu formen, nutzten wir eine
Fräse, die uns freundlicher Weise ein Lehrer unserer Schule zur
Verfügung gestellt hat. Als Steuerungseinheit dient das Arduino
Uno, den wir so programmiert haben, dass die Spinne in alle
Richtungen gehen kann und auch spezielle Bewegungen für
Hindernisse
ausführen
Drahtlosverbindung
kann.
Unsere
angeschlossen.
Kamera
Eine
Folie
ist
via
macht
die
Spinne resistent, z.B. gegen Hitze. Außerdem griffen wir zu PS2
Controllern, da deren Joysticks, unserer Meinung nach sehr gut
für die Steuerung zu gebrauchen sind. Mit 2.4 Ghz ermöglichten
sie uns den Roboter bis zu einer Entfernung von 20-25 Metern
Entfernung zu bedienen. Darüber hinaus entschieden wir uns
für eine Vierbeiner-Antriebstechnik.
2.4 Beobachtung
Unsere Beobachtung war, dass die Servos auf die Befehle des
USC
eingehen
und
sich
bewegen.
Der
Sender
und
der
Empfänger des 2,4 Ghz Moduls kommunizieren miteinander,
wodurch die Servos den Befehlen der Funkfernbedienung
nachgehen.
Da
Holz
molekular
recht
rau
aufgebaut
ist,
verkeilen sich manchmal die Servos oder das Holz, was aber
durch
eine
Öl-Zufuhr
verhindert
werden
kann.
Manchmal
spielen die Servos ein kleines bisschen verrückt, da entweder
die Stromversorgung gestört wurde oder die Einstellungen
falsch eingestellt wurden. Der Neigungssenor funktioniert
einwandfrei, da bei Neigung der Remote, die Servomotoren
reagieren.
Die
sogenannten
,,Gelenke“
erhöhen
die
Bewegungsfreiheit des Modells, was sich positiv auf die
7
Gängigkeit des Roboters auswirkt. Zudem ist zu
sehen, dass
bei kleinen Bewegungen des PS2 Joysticks, die Servos präzise
arbeiten, weil eine Frequenz von 2.4 Ghz eine feine Steuerung
ermöglicht.
2.5 Ergebnisse
Das Modell hat sechs Beine, die zur Stabilität des Roboters
dienen und eine Kamera, die unter dem vorderen Ende des
Roboters befestigt ist. Das ist auch auf diesen Bildern zu sehen.
Bei der selbstgebauten Fernbedienung ist das Breadboard die
Stromzentrale,
welche
alle
Funkelemente
miteinander
verbindet und kommunizieren lässt. Folgendes lässt sich zur
Funktionalität der Spinne sagen, der Arduino Uno verwaltet und
steuert die ganze Hardware und Software problemlos, was für
einen reibungslosen Einsatz sorgt. Das Holz hat keinen guten
Halt auf glatten Böden, deshalb mussten wir Harz oder Gummi
am Holz anbringen. Ein quietschendes Geräusch wurde durch
das
Reiben
der
einzelnen
Holzteile
verursacht,
deshalb
mussten wir Schmiermittel benutzen.
Die beigefügten Bilder zeigen die Konstruktion am Anfang bei
der Programmierung des Arduinos, des USC und der RemoteControls.
8
9
2.6 Ergebnisdiskussion
Wir
bewerten
einem
,,gut'',
die
weil
Umsetzung
unser
unseres
Ergebnis
Vorhabens
unseren
mit
Erwartungen
weitgehend entspricht, da die funktionelle Einheit reibungslos
funktioniert und alles miteinander kommuniziert. Ein paar
kleine
Fehler beim Sägen
des
Holzes,
beim
Einbau der
Servomotoren oder beim Einrichten der Verkabelungen waren
sicherlich auch dabei, was aber für die Gesamtfunktionalität
nicht so relevant ist, da das wesentliche Ziel erreicht wurde.
Was wir am Anfang des Projekts besser hätten machen können,
wäre eine richtige Planung des Prototyps, um somit später
alles fehlerfrei zusammen bauen zu können. Außerdem könnten
wir die scharfen Kanten des Holzes, die auch für das Verkeilen
der Konstruktion sorgten, schleifen um sie ungefährlicher und
gängiger zu machen. Im Großem und Ganzem (in unseren
Augen) also ein gelungenes Projekt.
3.Zusammenfassung
Die Antwort auf unsere Forschungsfrage ist, dass es möglich
ist, einen geländegängigen Spinnenroboter zu bauen, der in alle
Richtungen fahren kann. Allerdings war es nicht so leicht eine
Brandschutzfolie zu finden und anzubringen. Sie sollte vor
Staub, Schmutz, Rauch und Hitze schützen. Wir haben unser
Ziel nicht zu 100% erreicht, weil es mit der Brandschutzfolie
nicht reibungslos geklappt hat und die Live-Kamera nicht über
wirklich große Distanzen hinweg bedient werden kann.
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4.Quellen- und Literaturverzeichnis
https://www.youtube.com/watch?v=kLd_JyvKV4Y
https://www.youtube.com/watch?v=ZySGP4AwGCY
https://www.youtube.com/watch?v=LAgxa7Rf2rQ
https://www.youtube.com/watch?v=7L7oxoZEG-A
https://support.directv.com/app/answers/detail/a_id/4028/~/
how-to-program-directv-remote-control
http://www.billporter.info/2010/06/05/playstation-2controller-arduino-library-v1-0/
http://www.instructables.com/id/Controlling-Servos-Usingthe-SSC-32-Servo-Controll/
http://www.elitecad.eu/de-de?
gclid=CKS31IO7n8oCFUeVGwodCygKEQ
http://www.instructables.com/id/Wireless-Remote-Using-24Ghz-NRF24L01-Simple-Tutor/
https://www.arduino.cc/en/Tutorial/ADXL3xx
http://www.arduino-tutorial.de/programmieren/
https://learn.sparkfun.com/tutorials/how-to-use-abreadboard
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http://www.adapter-universe.de/92604.jpg
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