Design, Bau und Programmierung eines Roboterhundes

 

Physik  |  Technik

 

Yara Jordan, 2007 | Männedorf, ZH

 

Roboterhunde – sie bewachen Industriegebiete, unterstützen die Polizei und helfen vielleicht schon bald sehbeeinträchtigten Menschen in ihrem Alltag. Letzteres diente als Inspiration für diese Arbeit, im Rahmen jener ein Roboterhund designt, gebaut und programmiert wurde. Vorhandenes Wissen aus dem Physikunterricht und verschiedenen Lego-Robotikwettbewerben diente als Grundlage um das persönliche Interesse in einem professionelleren Kontext zu vertiefen. Durch den Einsatz von CAD, 3D-Druck und elektronische Bauteile sowie einer Vielzahl von Versuchen entstand ein funktionstüchtiger Roboterhund. Mithilfe der Programmierung in der Arduino IDE erlangte er die Fähigkeiten zu stehen, die Pfote zu geben und mit Unterstützung zu laufen. Der Roboterhund schafft wertvolle Grundlagen für zukünftige Projekte und öffnet die Tür zu weiterführenden, komplexeren Robotik-Themen.

Fragestellung

In der Arbeit «Design, Bau und Programmierung eines Roboterhundes» wird der folgenden Frage nachgegangen: Wie lässt sich ein funktionsfähiger, vierbeiniger Roboterhund unter Verwendung von handelsüblichen Consumer-Technologien wie 3D-Druck und der Arduino-Plattform von Grund auf selbst konstruieren und programmieren?

Methodik

Für die Entwicklung des Designs wurden funktionierende Roboterhunde wie Spot (Boston Dynamics) und Go2 (Unitree) als Inspiration verwendet. Die Gestaltung erfolgte in der CAD-Software Autodesk Fusion. Der Roboterhund besteht hauptsächlich aus 3D-gedruckten PLA-Elementen. Die schnelle und effiziente Bearbeitung des Designs durch CAD und 3D-Druck war ausschlaggebend für die Wahl des Materials. In einem iterativen Prozess wurde der Roboter wiederholt überarbeitet, bis die einzelnen Elemente aufeinander abgestimmt waren und er letztlich funktionstüchtig war. Die Steuerung des Roboterhund erfolgt über das Arduino Due Mikrocontrollerboard. Die Bewegung der Beine wird durch zwölf MG90-Servomotoren realisiert, während ein Distanzsensor Reaktionen auf die Umwelt ermöglicht. Die Energieversorgung der Komponenten erfolgt durch einen Lithium-Polymer-Akku und wird über einen Step-Down-Converter auf eine verwendbare Spannung heruntergeregelt. Programmiert wurde der Roboterhund in der Arduino IDE in einer C++ ähnlichen Programmiersprache.

Ergebnisse

Im Rahmen der Arbeit konnte erfolgreich ein Roboterhund von Grund auf entwickelt werden. Der finale Roboterhund ist dazu in der Lage, auf Befehl Pfote zu geben. Zudem kann er Distanzen erkennen und entsprechend reagieren. Eine weitere Fähigkeit des Roboterhundes besteht darin, dass er sich über einen kurzen Zeitraum hinweg selbständig aufrechthalten und balancieren kann. Aufgrund der eher schwachen Servomotoren kann der 1.35kg schwere und 40cm x 20cm x 30cm (Länge x Höhe x Breite) grosse Roboterhund nur unterstützt seine Laufbewegung ausführen.

Diskussion

Um die Balance des Roboterhundes zu verbessern und die selbständige Fortbewegung zu ermöglichen, wäre die Integration leistungsstärkerer Motoren erforderlich. Des Weiteren bietet es sich an, die Stromversorgung so zu überarbeiten, dass das Risiko von ausgezogenen Kabeln minimiert wird. Um dieses Problem zu beheben, wurde eine Alternative zum Breadboard betrachtet – die Lötplatine. Als Einstiegsprojekt ins Löten wurde ein Arduino Board und ein Servomotor mit einer Lötplatine verbunden. Im Hinblick auf die Laufbewegung besteht Optimierungspotenzial in der Programmierung, sodass sich der Roboterhund flüssiger bewegen kann. Mithilfe einer Computersimulation besteht die Möglichkeit verschiedene Parameter, wie zum Beispiel die Beinlänge, das Gewicht oder das Drehmoment der Motoren anzupassen. So könnten die optimalen Rahmenbedingungen für die Fortbewegung des Roboterhundes geschaffen werden.

Schlussfolgerungen

Die Arbeit hat gezeigt, dass es möglich ist, selbständig einen Roboterhund zu entwickeln, welcher fundamentale Fähigkeiten besitzt. Es konnten viele Fertigkeiten in den Bereichen 3D-Druck, Elektronik, Programmierung und Robotik erlangt werden, welche für zukünftige Projekten hilfreich sind. Der nächste Schritt ist ein autonomer Roboterhund, welcher keine Unterstützung bei der Fortbewegung benötigt. Der aktuelle Roboterhund und die damit einhergegangenen Lerneffekte bilden eine solide Grundlage für weitere Roboter.

 

 

Würdigung durch den Experten

Nicolas Faesch/Stefan Leuthard

Yara Jordan hat in ihrer Arbeit eindrucksvoll gezeigt, wie ein komplexes mechatronisches System mit modernen Technologien und einfach verfügbaren Komponenten von Grund auf konzipiert und realisiert werden kann. Inspiriert von kommerziellen Modellen konstruierte sie einen eigenen vierbeinigen Roboter und führte dabei sämtliche Entwicklungsschritte durch: von der 3D-Modellierung und Fertigung der Bauteile mit 3D-Druck über die elektronische Schaltungstechnik bis hin zur Programmierung verschiedener Bewegungsabläufe des Roboterhundes.

Prädikat:

Silber

 

 

 

Kantonschule Uetikon am See
Lehrer: Raphael Barengo