Informatik-Projekt. Herbst - Quartalsarbeit September-November Oliver Poole / Cédric Jan Landolt. (Klassen 6G / 6H) Druck-Roboter

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1 Informatik-Projekt Herbst - Quartalsarbeit September-November 2013 Oliver Poole / Cédric Jan Landolt (Klassen 6G / 6H) Druck-Roboter 1

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 1.1 Aufbau der Arbeit und Bewertung 2. Methode 2.1 Aufbau des Roboters 2.2 Alphabet-Programm 2.3 Porträt-Programm 3. Ergebnisse 3.1 Alphabet 3.1 Porträt 4. Diskussion 4.1 Probleme 4.2 Fehlerquellen und Verbesserungsvorschläge 4.3 Schlussfolgerung 5. Impressum 5.1 Robolympics 2

3 1. Einleitung Im Herbstquartal 2013 vom September bis November wurde im Ergänzungsfach Informatik ein Projekt lanciert, welches für jedes Zweierteam der Klassen 6efgh eine andere Aufgabenstellung beinhaltete. Jedes Team konnte im Rahmen der Möglichkeiten von Lego Mindstorms und Java ihr eigenes Projekt selber bestimmen. Für die Realisierung dieses Projekts wurden ca. 11 Wochen zur Verfügung gestellt, das Abgabedatum der Arbeit wurde auf den 18. November 2013 festgelegt. 1.1 Aufbau der Arbeit und Bewertung Folgend sind die Projektbedingungen und Bewertungskriterien kurz aufgelistet: A) Abgabe: 1. Lauffähiger Roboter 2. Dokumentation 3. Vorführmaterial B) Dokumentation zum Projekt: 1. Projektidee (max. eine A4-Seite) 1.1 Welche Aufgabe soll der Roboter erfüllen? 1.2 Was sind die Beweggründe für dieses Projekt? 2. Projektumsetzung (Länge individuell): 2.1 Aufbau des Roboters 2.2 Aufbau des Programmes / Erläuterung der wichtigsten Stellen 2.3 Bedienungsanleitung (falls notwendig) 2.4 Vollständiger Quellcode (Anhang) 3. Reflexion (eine halbe A4-Seite) 3.1 Vorgehen, Teamarbeit, Schwierigkeiten, Selbstkritik und Erkenntnisse 4. Vorführung (Eingangshalle) Pinnwandaufbereitung mit 1.1, 2.1 und Begleitmaterial Quellcode und Dokumentation auf Stick C) Beurteilungskriterien: Inhalt / Form / Arbeitstechnik 3

4 2. Methode Einige Zeit überlegten wir uns, was wir mit unserem Roboterprojekt erreichen wollten, bzw. welche Ideen überhaupt realisierbar sind (Lego NXT). Dabei gelangten wir von Ideen wie tanzenden oder trommelnden Robotern schlussendlich zu einem druckenden Roboter. Dieser sollte als erstes das komplette Alphabet, unter Umständen sogar ein Bild (bspw. ein Porträt) drucken können. 2.1 Aufbau des Roboters Zu Beginn bauten wir die erste Ebene des Roboters zusammen, die dank der Gummiräder und Verstrebungen in den Ecken die stabile Grundeinheit darstellte. Mit ihr konnte der definitive Druckbereich in Länge und Breite (x- /y-richtung) variiert werden. Weiter ging es mit der zweiten Ebene, welche gleichzeitig die fahrende x-achse des gesamten Roboters darstellte. Diese besass je zwei Räder auf beiden Seiten, die auf den Längsseiten der ersten Ebene angetrieben von einem Motor mittels einer Verbindungsstange hin und her fahren konnten. Wichtig war eine sauber laufende Zahnrad- Konstruktion, da die x-achse während des Druckens absolut gerade und das in beide Richtungen verlaufen musste. Das folgende Bild zeigt die zweite Ebene, die auf der ersten Ebene verläuft. Damit die Räder gerade laufen konnten und der Roboter nicht bis in die breite Seite der ersten Ebene reinfahren konnte, wurden dementsprechend Abstandshalter und Führungsschienen angebracht. 4

5 Um überhaupt irgendwelche Striche auf ein Blatt zu zeichnen, braucht es eine Tintenpatrone, in unserem Fall eine Schreibfeder, Diese wurde in die abgebildete Konstruktion eingespannt (mit Gummis versehen), welche wiederum in die 3. Ebene eingesetzt wurde. Wie beschrieben wurde der die Stiftkonstruktion in die 3. Ebene eingebaut. Dabei sollte die 3. Ebene die y-achse des Druckroboters darstellen, welche wiederum auf der 2. Ebene (x-achse) verlief. Diese Ebene sollte wie auch die zweite absolut flüssig und gerade verlaufen, damit ein sauberes und exaktes Druckergebnis zu erreichen war. Dazu wurden an der aufgrund des senkrecht eingebauten Motors eher höheren Ebene ebenfalls je zwei Räder pro Seite angebracht, welche durch eine mit dem Motor verbundene Zahnräderkonstruktion angetrieben werden konnte. Nun war der Roboter mit allen drei Ebenen und der Druckvorrichtung in Form eines Stiftes fertig zusammengebaut und konnte in Betrieb genommen werden. Dabei wurde auf einer Breitseite der ersten Ebene ein NXT-Computer angebracht und dieser mit den zwei Motoren verbunden. 5

6 Aufgrund einiger Konstruktionsmängel des vorläufig fertigen Roboters wurde dieser in einigen Punkten umgebaut. Die Stabilität der ersten Ebene wurde aufgebessert und die Feder durch einen Kugelschreiber ausgewechselt. Dazu wurde eine weitere motorangetriebene Konstruktion an den Kugelschreiber angebracht, die die Miene des Kugelschreibers ein- oder ausfahren konnte (fast 90 -Drehung). Dieser Motor wurde ebenfalls an den NXT-Computer angeschlossen. 2.2 Alphabet-Programm Als erstes versuchten wir ein Programm zu realisieren, welches das gesamte Alphabet (26 Buchstaben) und somit jeden Namen und Text schreiben konnte. Der Hintergrundgedanke drehte sich dabei um die Präsentation in der Eingangshalle, sodass jeder Schüler seinen Namen drucken lassen könnte (Interaktion zwischen Publikum und Roboter). Dazu wurde ein Programm mit 26 Case s geschrieben, in denen jeweils jeder Buchstabe mit Hilfe der bestimmten Motoreinheiten in der jeweiligen Grösse gezeichnet wurde. Dazu wurde das Programm so angepasst, dass ein Wort immer das ganze bedruckbare Feld ausfüllte (650 auf 250 Motoreinheiten) und somit längere Wörter auch kleiner geschrieben wurden. Die Buchstaben wurden dabei individuell in Digital- Buchstaben umgewandelt, sodass der Roboter lediglich gerade Striche zu zeichnen hatte. Hätte er Rundungen zu zeichnen gehabt, so hätten sich beide Achsen gleichzeitig mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen müssen, was mathematisch extrem schwierig und konstruktionstechnisch sehr ungenau geworden wäre. 6

7 2.3 Porträt-Programm Als kleines Extra versuchten wir ein Bild, in unserem Falle ein Porträt, mit Hilfe eines speziellen Programmes, in welche wir ein Bild einspeisen konnten, auf ein Papier zu drucken. Dabei sollte der Roboter einzig zwischen dunkel und hell, bzw. Strich oder kein Strich unterscheiden und so ein vollständiges Bild zeichnen können. Das Programm rechnete dabei in einem zweidimensionalen Bildarray die Stellen aus, wo ein Strich oder kein Strich zu zeichnen war, bzw. Blank oder Schwarz (0 und 1) berechnet wurde, sodass der Roboter aufgrund dieser Angaben ein gewöhnliches Bild in ein Hell-Dunkel- Bild umwandeln und drucken konnte. Als erstes wurde ein Bild/Porträt mit einer gewöhnlichen Kamera aufgenommen und dieses Bild in ein schwarz-weiss-bild umgewandelt, sodass das Programm nun nur noch zwischen Schwarz/Weiss bzw. Strich/kein Strich unterscheiden musste. 7

8 3. Ergebnisse Dieses Bild zeigt unseren ersten Druck, welcher nach langem Tüfteln und Ausprobieren ein voller Erfolg war. Dabei war der Grundstein für weitere Druckvorgänge mit diesem Rechteck gelegt, welches gleichzeitig das bedruckbare Feld kennzeichnete. 3.1 Alphabet Nach einigen Korrekturen der jeweiligen Einstellungen der Buchstaben und einigen Probedrucken konnten wir das fertige Alphabet bestaunen: Hier wurde das gesamte Alphabet von unten links nach oben rechts auf ein Blatt Papier gedruckt. Diese Buchstaben sind dabei alle individuell einsetzbar, da im Programm lediglich eine Buchstabenfolge eingegeben werden muss, welche dann direkt vom Roboter gezeichnet werden kann (Benutzerfreundlichkeit). 8

9 3.2 Porträt Als Probedurchlauf für den Druck eines Bildes speisten wir ein Schwarz-Weiss-Bild aus dem Internet in das Spezialprogramm ein und übernahmen die ausgerechneten Daten in das Java- Programm. Das Resultat war klar als Siloutte eines Kopfes mit einigen Details im Gesichtsbereich erkennbar. Nun versuchten wir dieselbe Methode auf unser Bild anzuwenden, wobei wir das Resultat als sehr gelungen betrachten. Man erkennt oben rechts im Bild einen kleinen Fehler, der durch ein Verhacken der Zahnräder auf der x-achse entstand. Ansonsten kann man deutlich die Köpfe der zwei Druckroboter-Erfinder erkennen. 9

10 4. Diskussion Im letzten Punkt unserer Arbeit geht es um die Diskussion über die ganze Arbeit mit Rückblick auf alle Tücken und Schwierigkeiten, die während unserer Arbeit aufgetreten sind und auf welche Art und Weise wir diese geschickt umgehen oder gar lösen konnten. 4.1 Probleme Konstruktion Ein Problem, das während der ganzen Konstruktion des Roboters immer wieder auftauchte, war die mangelnde Stabilität des Grundgerüstes. Da keine unendliche Menge von Legoteilen zur Verfügung stand, war der begrenzende Faktor die Anzahl Teile die benutzt werden konnten, um das Grundgerüst, auf dem sich die zwei Achsen (x/y) bewegten, zu bauen. Um dieses Problem zu lösen wurden viele Verstrebungen parallel aneinander fixiert, damit eine maximale Stabilität mit wenigen Teilen erreicht werden konnte. Damit das Grundgerüst standhaft blieb und nicht durch die Reibung des Stiftes wegrutschte, wurden Räder als Stützen benutzt, welche selber eine grosse Reibung aufwiesen. Des Weiteren lag ein Problem beim Fixieren der Motoren vor, da der Bereich, in dem gedruckt werden konnte, möglichst gross sein musste im Gegenzug der Rahmen stabil bleiben sollte. Zudem waren die 2. und 3. Ebene sehr leicht und konnten instabil werden, wenn der Schwerpunkt durch die Motoren zu weit nach aussen versetzt wurde. Deshalb wurde der Motor der zweiten Ebene aufrecht und der Motor der ersten Ebene platzsparend innerhalb des Rahmens angebracht. Ein weiteres Problem lag bei der Präzision des Druckers. Es wurden möglichst dünne Räder benutzt, um auf die schmalen Bahnen zu passen. Damit diese Räder nicht aufgrund der Kraftübertragung von nur einer Seite aus der Bahn gerieten, wurde eine Achse integriert, damit auf beiden Seiten ein Rad angetrieben werden konnte. Zusätzlich wurden Führungselemente angebracht, die eine möglichst gerade Linienführung bewirken sollten. Allerdings hat dies einen Nebeneffekt: Die Führungselemente verhakten sich bei Gelegenheit ständig und der Roboter kam zum Stillstand oder druckte ungenau weiter. Um diesen Fehler zu umgehen wurden kleine Optimierungen vorgenommen. Es ist aber nicht auszuschliessen, dass der Roboter bei einem Durchlauf erneut verhaken könnte. 10

11 Die Räder hatten dabei keine 100%ige Haftung auf den glatten Legooberflächen. Diese konnten bei grösserem Widerstand durch die Reibung etwas an Weg auf den jeweiligen Achsen verlieren, was den Drucker nicht immer präzise fertig drucken liess. Das letzte grössere Problem, das zu bewältigen war, war die Art, wie der Stift vom Blatt gehoben werden konnte, um nicht nur eine durchgehende Linie zeichnen zu können. Verschiedene Optionen wurden untersucht, jedoch hatte uns unser Lehrer zu einem genialen System verholfen, in dem wir einen drehbaren Kugelschreiber benutzten. Dies war die optimale Lösung, da die Möglichkeit, ein mobiles Teil (nicht Lego) im Roboter zu integrieren, sich als fast unmöglich herausstellte. Andere Kugelschreibersysteme, wie z.b. mit Kugelschreiber zum Draufdrücken, konnten nicht benutzt werden, weil beim herausdrücken die Spitze weiter zu weit hinauskam und so den gesamten Roboter anhob. Programmieren Mit weniger Problemen verbunden als die Konstruktion war das Programmieren. Die einzigen Probleme lagen bei der Unkenntnis der Programmiersprache Java. Damit das Alphabet programmiert werden konnte wurde der Switch()-Case-Befehl benutzt, da wir nicht 26 Ifs benutzen wollten. Dabei konnten Variablen vom Typ Character nicht verwendet werden, deshalb musste von Character zu Integer gewechselt werden, was sich als eine kleine Herausforderung herausstellte. Einige Befehle zum Parsen auf Integer wurden vom Brick nicht anerkannt, jedoch vom Compiler nicht als falsch angegeben. Der Roboter zeigte einen Fehler an, der nicht gefunden werden konnte. Dieser musste jeweils durch manuelles Debugging gefunden werden. Im Print Programm traten keinerlei Probleme auf. Die Kombination von Java und Bild- Array-Programm funktionierte einwandfrei. 11

12 4.2 Fehlerquellen und Verbesserungsvorschläge Optimal wären die zwei Achsen auf Zahnradbahnen angelegt gewesen, was eine hervorragende Präzision geboten hätte. Da die nötigen Ressourcen nicht vorhanden waren, musste umgedacht und stattdessen die Räder benutzt werden. Das Grundgerüst hätte natürlich stabiler sein können, hätte man beispielsweise ausschliesslich die herkömmlichen Legoteile benutzt. Ein präziserer und stabilerer Roboter hätte auch eine viel bessere Auflösung der Bilder zur Folge gehabt, was wiederum eine Verbesserung der Programme zugelassen hätte. Die relativ langsame Geschwindigkeit, hätte durch Konstruktionsverbesserungen dementsprechend erhöht werden können. Die Programme könnten natürlich auch weiter ergänzt werden anstatt nur eine Linie in eine Richtung zu drucken. Beim Print-Programm ist es ausserdem möglich, in senkrecht Richtung Linien zeichnen, welche dem Bild einen grösseren Kontrast verleihen würden. Da der Drucker aber noch etwas zu ungenau arbeitete und das Resultat so schon befriedigend war, wurde diese Ergänzung weggelassen. Das Alphabet könnte dabei durch weitere Buchstaben und Zeichen ergänzt werden und schlussendlich zu eine Art Textdrucker weiterentwickelt werden. Zeit war hier jedoch einmal mehr der begrenzende Faktor. 4.3 Schlussfolgerung Natürlich hätten wir noch vieles an unserem Roboter verbessern können, wobei wir das Ideal in Form eines herkömmlichen Druckers immer vor Augen. Für die investierte Zeit, das aufgearbeitete Wissen, Programmierwissen unseres Standes und Ressourcen die uns zu Verfügung standen, sind wir sehr stolz unser Resultat in dieser Form präsentieren zu können. Für uns war dieses Projekt definitiv eine positive Erfahrung, obwohl es sehr viel Zeit beanspruchte und man oft in Engpässe und manchmal auch Sackgassen geriet, aus denen man sich befreien oder die man umgehen musste. Wir haben die wichtige Erfahrung gemacht, was es heisst, ein vollständiges und auch noch funktionierendes Programm fertigzustellen und ebenfalls einen dafür konzipierten Roboter zu bauen, welche schlussendlich das gewünschte Resultat liefern sollte. Wir danken auch herzlich unserem Lehrer und den Mitschülern die uns jederzeit herzlich zur Hilfe standen! 12

13 5. Impressum 5.1 Robolympics Als kleines Extra nahm unser Roboter an den Robolympics in Rapperswil in der Kategorie Freestyle teil und belegte trotz einiger unausgereiften Konstruktions- und Programmierteile von insgesamt 5 Teilnehmenden den sensationellen zweiten Platz! Ausgestellter Druckroboter an den Robolympics in Rapperswil ( Roboter zum Anfassen und Ausprobieren) Das Siegerteam der Kantonsschule Glarus (Zwei Mal 1. Platz und Gesamtsieger) 13