Microtora

Die Entstehung und der Bau soll hier dokumentiert werden:

Es fängt an mit der Auswahl der Komponenten. Die Größe und das Gewicht sind fest vorgegeben.
Nicht größer als ein Würfel mit 50mm Kantenlänge und nicht schwerer als 100g. Das entspricht einer Dichte von 0,8 g/cm³. Zum Vergleich, beim Minisumo beträgt das Verhältnis 0,5 g/cm³
Es ist natürlich vorteilhaft, wenn man nicht aufs Gewicht achten muß. Die Erfahrung mit Tora zeigt aber, daß es Mühe bereitet, das erlaubte Gewicht überhaupt zu erreichen.

Für die Motoren kommen eigentlich nur Gleichstrom-Getriebemotoren in Frage, hier ist das Verhältnis Baugröße zu mechanischer Leistung einfach unschlagbar. Getriebemotoren wie in Tora findet man gelegentlich bei Ebay.

Bei diesen Motoren ist das Getriebe kompakt auf den Motor geflanscht, Motor und Abtrieb liegen auf der gleichen Achse. Das Rad wird direkt auf die Abtriebswelle montiert. Leider sind diese Motoren etwas länger als 25 mm, bei einer Montage auf der gleichen Achse würde so die erlaubte Breite von 50mm überschritten.
Was gibt es noch an Getriebemotoren? Natürlich: Servos aus dem Modellbaubereich. Man muß sie nur etwas umbauen, und schon sind es Getriebemotoren. Microservos z.B. haben einen wirklich geringen Platzbedarf und sind sehr stark.

Zuerst probierten wir Servos von "FUTABA, S3115 MICRO". Das sind recht günstige Servos zu 16,95 Euro das Stück. Mit Kunststoff-Getriebe.
Hier liegt auch das Problem. Nach dem Umbau, also dem Entfernen der mechanischen Umdrehungsbegrenzung und dem Entfernen der Elektronik wurde der erste Test mit einer LiPo-Zelle durchgeführt. Der Motor drehte sich bei 3,7 Volt recht ordentlich. Der Versuch, die Kraft des Motors mit einem Blockieren zu testen zerstörte das letzte Getriebezahnrad. Merke: Kunststoffzahnräder in Servos und Roboter passen nicht zusammen.

Für 10 Euro mehr (je Stück) sind wir jetzt bei den Servos "BLUEBIRD MICRO BMS-380 MG". Das MG steht für Metallgetriebe, was aber nicht ganz der Wahrheit entspricht.
Die Potentiometer bilden hier ein Lager der Abtriebswelle und können nicht entfernt werden. Um auf die erforderlichen 25mm zu kommen, mußten deshalb sogar die Anschlüsse derselben entfernt werden. Die nun entstandenen Motor-Getriebe-Kästen haben eine Höhe von 13mm. Sie füllen, aneinandergelegt, mit 40mm Länge und gut 30mm Breite fas die gesamte verfügbare Fläche aus. Schließlich sollen vorne noch eine nicht allzusteile Schräge und seitlich Räder Platz haben.

Die Elektronik kann also nur unter oder über die Getriebekästen montiert werden. Normale Platinen sind aus 1,5mm GFK, und damit stabil genug um als Träger zu fungieren. Es liegt also nahe, die Platine unter die Getriebe zu kleben und gleichzeitig die Kante als Schieber zu benutzen. So wird die Platine ein Teil des mechanischen Aufbaus. Die Motageart verbietet aber bedrahtete (THT)Bauteile, es muß also alles in SMD, ohne Brücken gebaut werden. Als Akku kommt eigentlich nur eine Lithium-Zelle in Frage, die maximal 50x35mm groß sein darf, um auf der Oberseite der Getriebe Platz zu haben. Hier kommen Akkus aus Digitalkameras in Frage. Ganz oben sollen dann noch 2 Entfernungssensoren zur Gegnererkennung Platz haben. Man merkt hier schon, wie stark die Bereiche Mechanik und Elektronik verknüpft sind.
Entwicklung der Platine:
Verwendet wird eim Atmega88 in der V-Version, der kann von 1,8 Volt bis 5,5 Volt betrieben werden. Der Akku liefert zwischen 3 und 4,2 Volt, die Systemspannung muß daher nicht stabilisiert sein. Ein großer Vorteil, der Platz für den Spannungsregler wird frei. Leider nicht ganz, ein Bauteil braucht eine stabile Spannung: der Beschleunigungssensor liefert einen analogen Wert, der auch noch mit der Versorgungsspannung schwankt. Wie bei Tora bekommt das Bauteil seinen eigen Regler in Form zweier gelber (einer blauer?)LEDs, deren Flußspannung groß und stabil genug ist. Diese LEDs dienen gleichzeitig der Bereitschaftsanzeige.

Notiert man alle möglichen I/Os, ergibt sich diese Skizze links. Das ist der erste grobe Entwurf der Elektronik, der aber schon alle späteren Elemente beinhaltet. Die Pfeile zeigen die Aktionsrichtungen, weg vom AVR sind Ausgänge und hin sind es Eingänge. Die Form der Platine ist auf ein Quadrat mit 50mm Kantenlänge beschränkt. Die Räder verkleinern seitlich diese Fläche noch um je 10mm. Vorne bleibt aber die ganze Breite bestehen. Möglichst zentral zwischen den Rädern hat der Beschleunigungssensor seinen Platz, damit er keine falschen Werte bei Drehungen produziert. Die Platine liegt später schräg mit der Vorderkante auf dem Boden, also müssen die hohen Bauteile nach hinten. Dazu gehören der Ein-Aus-Schalter, der Start-Taster und ISP-Anschluß zum Programmieren. LEDs zur Statusanzeige sind wichtig beim debuggen. Da sie bei SMD Montage nach unten strahlen, müssen sie auch möglichst nahe an den Rand.

Als Entfernungsmesser sollen GP2Y0D810Z0F eingesetzt werden. Im Unterschied zu den herkömmlichen Sharps vom Typ 2GD12 haben sie keine Befestigungslaschen. Sie besitzen ein DIL Gehäuse und müssen auf eine Platine gelötet werden, die hinten senkrecht angebracht wird. Leider geben sie nur ein Signal ab, wenn sich ein Objekt innerhalb von 10cm befindet. Erfreulich sind aber die geringe Stromaufnahme und Reaktionszeit vom wenigen Millisekunden. Und natürlich die Größe von 13,5mm x 7mm.

8 Monate später: Microtora kommt in die Endphase.
Beschleunigungssensoren der Sorte ADXL202 sind nirgendwo für vernünftige Preise aufzutreiben. Deshalb bleibt der entsprechende Platz auf der Platine leer. Die Randsensoren sind die gleichen wie bei Tora, TCRT1000 von Embedit. Sie geben bei einfachster Beschaltung ein digitales Signal ab.

Ein großes Problem stellen immer wieder die Räder dar: Hier verwenden wir unser bewährtes Makrolon. Das wird mit einer Lochsäge in der Ständerbohrmaschine ausgesägt und innen ausgefräst. So verschwinden die Servohörner in den Radscheiben. Die Herstellung ist garnich so kompliziert. Zum Einsatz kommt eine gewöhnliche Lochsäge, so eine billige aus dem Baumarkt, bei der man mehrere 3/4 Lochkreise in Nuten einrasten kann. Zuerst werden beide Lochsägen für den Außendurchmesser und für die innere Ausfräsung gleichzeitig eingesetzt und 2mm tief ins Material gesägt. Mit einer Oberfräse entfernt man die innere Fläche um Platz für das Servohorn zu schaffen. Dann wird mit dem äußeren Sägekranz das Rad fertig ausgeschnitten. Mit einer M6 Schraube spannt man dann beide Räder nochmals in die Ständerbohrmaschine, um die Lauffläche zu glätten. Das Servohorn ist dann einfach mit M2 Senkkopfschrauben am Makrolon befestigt.
Im ersten Video (unten rechts) sind die Räder noch mit doppelseitigem Klebeband außen drangeklebt. Die Lauffläche ist für besseren Grip mit einem Stück Silikon-Handschuh überzogen. Dieses Material ist sehr elastisch und hat eine enorme Haftreibung. Leider ist es auch sehr dünn, Die Räder müssen deshalb möglichst rund laufen. Hier benutzen wir aber später den Belag von Tischtennisschlägern. Der hat noch mehr Grip und ist weich genug für kleine Unebenheiten des Dojos.

Die Stromversorgung übernimmt ein Lithium-Ionen Kameraakku für Digitalkameras. Der Akku hat 600mAh, was für ein paar Runden reichen dürfte. Der Akku ist von seiner Kunststoffhülle befreit und in Schrumpfschlauch verpackt worden. Das spart einen Millimeter in der Breite ein. Der Akku klebt mit doppelseitigem Klebeband auf den Getriebekästen der Servos und hält diese damit oben mechanisch zusammen. Auf dem Akku haben dann die Entfernungssensoren ihren Platz. Damit beträgt die Höhe des Roboters 47mm, es ist also noch etwas Platz nach oben.
Auf dem Foto links hat der Roboter ein Gewicht von 77g, wovon 12g Blei sind, auf der Vorderkante. Das ist nötig, damit der Roboter nicht so leicht nach hinten umkippt, oder umgekippt wird. Es findet sich sicher noch eine Lösung, um etwas mehr Gewicht an dieser Stelle zu platzieren.

Die Software ist in Basic geschrieben, Bascom-AVR um genau zu sein. Das ist ein Basic-Dialekt für AVRs, der anderen Sprachen in nichts nachsteht.
Mit dem Einlesen der vorderen Randsensoren wird festgestellt, ob der Roboter am Rand angekommen ist. Ist dies der Fall, dann gibt es ein Ausweichmanöver, erst kurz zurück und dann eine Drehung in die Richtung, die vom Rand wegführt. Ist kein Rand vorhanden, werden die oberen Entfernungssensoren abgefragt. Meldet einer der Sensoren, dann dreht Microtora in die entsprechende Richtung. Melden beide oder keine Sensoren fährt Microtora geradeaus bis zum Rand. Das Video rechts (Youtube) zeigt Microtora bei der ersten Fahrt, auf einem weißen Dojo, statt auf einem schwarzen. Das macht keinen Unterschied, im Wettbewerb nachher allerdings schon ;)