LOLLAR. Wischroboter mit Lego Mindstorms. ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht. Lukas Wetten

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1 ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Regionalwettbewerb Jugend forscht LOLLAR Wischroboter mit Lego Mindstorms Lukas Wetten Schule: Fürst-Johann-Ludwig-Schule Jugend forscht 2015

2 Wischroboter mit Lego Mindstorms Inhalt: Inhaltsverzeichnis Einleitung 1) Problemstellung 2) Methoden und Arbeitsweisen 3) Ergebnisse 3.1) Hardware 3.2) Software (Programme) 4) Klassische Reinigungsroboter 5) Ausblick 6) Quellenverzeichnis / Literatur 7) Anhang 1

3 Einleitung Serviceroboter spielen in unserem Leben eine immer größere Rolle. In manchen Gärten kürzen sie die Rasenflächen, in Lagerhallen bringen sie Waren vom einen zum anderen Ort und im Haus übernehmen sie für uns das Putzen. Nun versuche auch ich mich an solchen Robotern, die uns das Leben erleichtern, indem sie unsere Wohnräume sauber halten. 1) Problemstellung Ein großes Problem für fahrende Roboter stellen Absätze dar, auf welche ich aber in meinem Projekt nicht näher eingehen werde. Aber auch Stabilität und Gewichtsverlagerung sind sehr wichtig im Umgang mit Robotern, weil diese Faktoren unter anderem ausschlaggebend für die Präzision des Gefährts sind. Eine sehr große Herausforderung stellt auch die komplexe Programmierung dar. Es ist in der Programmiersprache, die ich verwende, zum Beispiel sehr schwierig, eine manuelle Zeiteingabe zu entwerfen, was ich dann aber dann doch noch geschafft habe. Außerdem spielt natürlich auch die Orientierung im Raum mithilfe von Sensoren eine große Rolle. 2) Methoden und Arbeitsweisen Für meinen Roboter verwende ich die Standardprogrammiersprache für Lego Mindstorms EV3 (EV3-G). Er ist (größtenteils) aus Lego-Steckelementen gebaut, die Motoren und Sensoren sind ebenfalls von Lego. Protokoll: Der Roboter soll sich im Raum selbstständig bewegen und den Raum gut reinigen können. Er soll sich mithilfe von drei Berührungssensoren im Raum orientieren und nach dem Reinigungsprogramm mithilfe von Infrarotsignalen zu seinem angewiesenen Platz zurück fahren können Dem Roboter möchte ich einen Handstaubsauger und ein nasses Bodenwischtuch integrieren. Außerdem möchte ich ihn auf zwei Rädern fahren lassen, da er sich so besser wenden lässt und da er auf diese Weise ausgeglichener fährt. 2

4 Ich fange an den Roboter zu bauen. Da der Handstaubsauger nicht breitflächig genug saugen kann, habe ich vor ihn aus zwei Balken einen zweidimensionalen Trichter gebaut, der den groben Dreck vor den Staubsauger befördert Da der Roboter vorher sehr schlecht wenden konnte, habe ich vorne und in der Mitte jeweils ein Paar (links und rechts) Lenkrollen angebracht. Außerdem verlagere ich möglich viel Gewicht auf die antreibenden Gummiräder für mehr Stabilität und einen besseren Wendekreis. Sonst würden sich die anderen Räder nicht schnell genug in die richtige Richtung drehen Ich habe die hinteren Antriebsräder mit den mittleren Rädern ausgetauscht, da ich mit dem Wendekreis immer noch nicht zufrieden war Heute habe ich die hinteren zwei Räder mit einem zur Fahrtrichtung orthogonalen Rad vertauscht und die vorderen Räder entfernt, sodass nur die mittleren Antriebsräder so blieben wie sie waren, weil die Lenkrollen zu Ungenauigkeiten bei Wendemanövern führten. Außerdem schrieb ich ein Programm, das dem Roboter vorschreibt, er soll so lange putzen, bis jemand ein Signal mit der Fernbedienung gibt, woraufhin der Roboter auf das Infrarotsignal (die Fernbedienung) zufährt Damit der Roboter den Sauger selbst an schalten kann, habe ich heute einen Motor, der einen Schraubzylinder bedient, direkt an den Handstaubsauger angeklebt und ihn entsprechend umprogrammiert Da ich mit Stabilität, Größe, Gewicht und Wendigkeit des ersten Modells nicht zufrieden war, entwickelte ich einen komplett neuen Roboter. Er fährt nun auf zwei Rädern in der Mitte und zwei Kugelrädern am hinteren Ende. Den Handstaubsauger ließ ich aus, welcher Stabilität, Größe, Gewicht und Wendigkeit stark zum Negativen beeinflusst. Zwischen Lappen und Fahrgestell befand sich ein Licht- und Farbsensor. Er soll verhindern, dass die Putzeinheit von Absätzen fällt. Vor dem Wischlappen habe ich zwei Berührungssensoren angebracht, darüber einen drehbaren Infrarotsensor, damit der Roboter ihn zur 3

5 Seite wenden und so einen bestimmten Abstand zur Wand halten kann. So kann er alle Ecken des Raumes, der geputzt wird, säubern, was meinem Wissen nach kaum ein anderer Reinigungsroboter kann. Das Gewicht des EV3-Bricks ist größtenteils nach hinten verteilt, damit das Gewicht des Wischlappens ausgeglichen wird Da der Infrarotsensor nur Angaben in Schwellenwerten liefert (Je nach Farbe des Gegenstandes wird das Infrarotsignal besser oder schlechter reflektiert), baute ich ihn fest nach vorn gerichtet ein und setzte einen Ultraschallsensor mit Blick zur linken Seite anstatt des Farb- und Lichtsensors in der Mitte ein. Dieser war jedoch immer noch zu ungenau und ich baute an seiner Stelle einen weiteren Berührungssensor ein, er hielt dann einen engeren Abstand zur Wand. Der Wischroboter konnte sich aber immer noch nicht ordentlich drehen, wenn er mit dem eckigen Gestell eng in einer Ecke steht, deshalb baute ich eine Vorrichtung ein, die ihm ermöglicht, den Lappen nach oben zu klappen, sodass er nicht mehr bei Wendemanövern in Ecken im Weg ist. Das Programm übernahm ich größtenteils von dem ersten Modell, das ich dem neuen anpasste, und ich schrieb einen neuen eigenen Block, der in zwei neuen Programmen dafür sorgt, dass die Ecken geputzt werden, bevor das normale Reinigungsprogramm abläuft. 3) Ergebnisse 3.1) Hardware Der Reinigungsroboter fährt auf zwei Gummirädern in der Mitte und einem Kugelrad am hinteren Ende, auf welchem das meiste Gewicht der Elektronikteile liegt, damit er wegen des schweren Lappens nicht nach vorn kippt. Hinter dem EV3-Brick ist ein Motor angebracht, der den vorne sitzenden Lappen nach oben klappen kann. Vorne links ist ein Berührungssensor angebracht, der die Wand abtastet, darunter ist nach vorne gerichtet auf jeder Seite jeweils ein Berührungssensor installiert. In der Mitte ist ein Infrarotsensor nach vorne gerichtet angebracht. 3.2) Software (Programme) Ich habe vier verschiedene Programme erstellt: 4

6 Putzen: In diesem Programm putzt der Roboter, bis er ein bestimmtes IR-Signal bekommt, woraufhin er dann auf dieses Signal zufährt. ZeitPutzen: Hier reinigt der Roboter so lange den Boden, bis die zuvor eingegebene Zeit abgelaufen ist und er wieder zu dem Infrarotsignal zurückfährt. Man kann vorher auch eingeben, ob der Roboter noch eine Zeit lang warten soll mit dem Putzen. ZW_Putzen: Dies ist eine bessere Version des Programms ZeitPutzen: Vor dem klassischen Reinigungsprogramm putzt der Roboter an der Wand entlang, sodass keine Ecken ausgelassen werden. (Siehe Follow_Wall) IRW_Putzen: Dies ist eine bessere Version des Programmes Putzen: Vor dem klassischen Reinigungsprogramm putzt der Roboter an der Wand entlang, sodass keine Ecken ausgelassen werden. (Siehe Follow_Wall) Zudem habe ich auch noch einige Unterprogramme (so genannte Eigene Blöcke ) verwendet, die die Hauptprogramme übersichtlicher machen. Sie sind einfach in die Hauptprogramme eingesetzt: EV3_icon: Hier blinkt auf dem Display so lange das EV3-Icon, bis jemand den Eingabeknopf drückt. Ad_Fbd_: Bei diesem eigenen Block fährt der Roboter so lange auf das Infrarotsignal zu, bis er eine bestimmte Distanz zu dem Sender erreicht hat. Cleaning: Dies ist das Kernstück der Hauptprogramme. In Cleaning putzt der Roboter und weicht dabei Hindernissen aus. 1_min_warten: Wie der Name schon sagt wartet der Roboter hier eine Minute mit dem Putzen. Cleaning_time: Der Mindstorms putzt für eine bestimmte Zeit lang. Zahleneingabe: Hier muss man eine Zahl über die Tasten am Mindstorms-Brick eingeben. Diese wird dann in Cleaning_time als Zeitgeber verwendet. Follow_Wall: Dies ist der neue Bestandteil der beiden Programme ZW_Putzen und IRW_Putzen. Hier fährt der Roboter die Wand entlang, er hält Abstand mithilfe eines Berührungssensors. Sobald die vorderen Berührungssensoren eine Ecke wahrnehmen, klappt der Lappen mithilfe eines Motors an Ausgang B nach oben und die Putzeinheit dreht sich nach rechts. 4) Klassische Bodenreinigungsroboter Die meisten Bodenreinigungsroboter sehen aus wie ein flacher, etwa 30cm breiter Zylinder auf zwei Rädern. Sie verfügen über Sensoren, um sich im Raum zurechtzufinden, und manche speichern Informationen über die Räume, in denen sie fahren. Die ersten Staubsaugerroboter brauchten jedoch noch keine 5

7 Elektronik, um Hindernissen auszuweichen, sie drehten sich mithilfe von Federmechanik. Neuwertigen Staubsaugerrobotern mit Navigationssystem gelingt es auf diese Weise, eine ca. 79 Quadratmeter große Fläche in einer Zeit von ungefähr Minuten zu reinigen. Vorwiegend werden Putzroboter in den USA, Europa und Asien verwendet, wobei sie in Europa eher zu Marketingzwecken verkauft werden. Am bekanntesten unter den Reinigungsroboterherstellern sind die Marken irobot mit den Artikeln Scooba (ein feucht wischender Roboter) und Roomba (ein Staubsaugerroboter), Vorwerk und Dirt Devil. Einer der marktführenden Reinigungsrobotern ist der Roomba 780 Staubsaugroboter von irobot, der zwischen 400 und 500 teuer ist, andere kosten aber meistens weniger Geld, manchmal aber auch mehr. 5) Ausblick Mein Reinigungsroboter kann natürlich in einigen Dingen noch verbessert werden: Er könnte sich die geputzten Stellen merken, sodass der Putzvorgang optimiert wird. Außerdem wäre eine geringere Größe nützlich und eine Station, in die er zurückfährt, wenn der Akku schwach wird, in der er neue Energie tanken kann. 6) Quellenverzeichnis / Literatur Links: Wikipedia (Artikel: Staubsaugerroboter, Serviceroboter) Stiftung Warentest (Saugroboter) Robosauger.de PC Welt (Putzroboter im Praxistest) Lego.com Mein YouTube Kanal: Erebos mindstormstechnic 6

8 Bücher: The EV3 Laboratory (Von Daniele Benedetti) Das EV3 Roboter Universum (Von Matthias Paul Scholz) Programmierung mit Lego Mindstorms NXT (Von Karsten Berns, Daniel Schmidt) 7) Anhang: Bilder der Programme (Die Bilder sind unter ihren Beschreibungen) Abb. 1: Erstes Modell des Putzroboters vorne links 7

9 Abb. 2: Konzept des zweiten Modells 8

10 Abb. 3: Zweites Modell erste Version mit rotierendem IR-Sensor 9

11 Abb. 4: Zweites Modell (zweite Version) oben 10

12 Abb. 5: Zweites Modell (überarbeitet) vorne links Abb. 6: Eigener Block EV3_icon 11

13 Abb. 7: Eigener Block ad_fbd_ Abb. 8: Eigener Block Cleaning Abb. 9: Eigener Blöck 1_min_warten 12

14 Abb. 10: Eigener Block Cleaning_Time Abb. 11: Eigener Block Zahleneingabe 13

15 Abb. 12: Eigener Block Follow_Wall Abb. 13: Programm Putzen Abb. 14: Programm ZeitPutzen Abb. 15: Programm ZW_Putzen Abb. 16: Programm IRW_Putzen Alle Bilder wurden von mir, Lukas Wetten, gemacht. 14