Entwicklung eines autonomen Roboterarm-Systems zum Pingpongspielen

 

Physik  |  Technik

 

Elias Bauer, 2006 | Fürigen, NW

 

Meine Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und dem Bau eines autonomen Roboterarm-Kamerasystems. Als Anwendungsbeispiele wurden das Fangen eines Balls mittels Netz und das direkte Retournieren eines Pingpongballs gewählt. Das selbst entwickelte autonome System besteht aus drei Komponenten: Einem Roboterarm mit Pingpongschläger, einem Kamerasystem zur dynamischen Bildaufnahme und einer Computersoftware zur Erkennung und Lokalisation des Balls im dreidimensionalen Raum, der Vorhersage seiner Flugbahn sowie der Steuerung des Roboterarms.

Fragestellung

Das Ziel der Arbeit war es, einen Roboterarm mit einem Kamerasystem zu bauen, welcher einen Tischtennisball fangen und dem Gegenspieler zurückspielen kann. Daraus ergaben sich die folgenden Leitfragen für die Arbeit: (I) Wie baut man einen Roboterarm, der einen Pingpongball fangen und mit einem Tischtennisschläger direkt zurückspielen kann? (II) Wie erstellt man ein Kamerasystem mit Webcams, welches die Flugbahn eines Balls erkennen und vorhersagen kann? (III) Wie entwickelt man eine Software zur Integration und Steuerung beider Komponenten, damit das System autonom agieren kann?

Methodik

Die Komponenten des Systems wurden hinsichtlich der geplanten dynamischen Anwendungen ausgewählt und optimiert, mit Fokus auf Schnelligkeit, Leichtigkeit und Robustheit. In der Arbeit wird die Auswahl der entsprechenden Bauteile erläutert, wie Motoren mit hohem Drehmoment und Kameras mit schneller Aufnahmefrequenz. Der Roboterarm wurde in Fusion360 konstruiert und die komplizierteren Teile mittels 3D-Druck hergestellt. Die Steuerungssoftware wurde in der Programmiersprache C++ geschrieben und ist in die Game-Engine Unreal Engine integriert. Für die beiden Anwendungen des Systems wurden zusätzliche Lösungen entwickelt und implementiert, welche in der Arbeit aufgezeigt werden.

Ergebnisse

Geeignete Versuchsreihen zeigen die erfolgreiche Anwendung des Roboterarm-Systems sowohl beim Fangen eines Balls mit einer durchschnittlichen Fangquote von über 87 Prozent, als auch beim Pingpongspiel mit einer Rückspielquote von 90 Prozent und einer Spielsequenz von bis zu 20 Spielschlägen mit einem Durchschnitt von circa 10 Spielschlägen. Zudem wurden Messungen gemacht, welche die Effizienz und Effektivität des Systems analysieren und begründen. Unter anderem werden dabei die Drehgeschwindigkeit abhängig von der Arm-Ausrichtung und die Eigenschaften der verwendeten Stromquelle analysiert.

Diskussion

Wie an den dargestellten Ergebnissen zu sehen ist, wurden der Roboterarm und das Kamerasystem erfolgreich entwickelt und die in den Leitfragen gesetzten Ziele erreicht. Der Roboterarm kann mit guter Wiederholbarkeit lange Ballwechsel aufrechterhalten. Die Messungen werden jedoch auch durch die Spielart und Spielfähigkeit des menschlichen Gegenspielers beeinflusst. Bei der Konstruktion ergeben sich einige Verbesserungsmöglichkeiten, da der Roboterarm zunächst nicht ausschliesslich für das Pingpongspielen entwickelt wurde. Ausserdem wurden verschiedene Testfunktionen erst gegen Ende des Entwicklungsprozesses programmiert, welche aber schon vorher die Entwicklung deutlich vereinfacht hätten. Im Nachhinein hätte es eine Priorität sein sollen, diese so früh wie möglich zu implementieren.

Schlussfolgerungen

Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Version eines Roboterarm- und Kamerasystems konnte alle definierten Ziele erreichen. Die Materialkosten des Produkts halten sich mit CHF 300 in Grenzen (ohne Computer für die Steuerung). Das Projekt erfuhr auch in den sozialen Medien eine äusserst positive Resonanz. Gleichzeitig ergeben sich aber auch noch zahlreiche Ideen und Möglichkeiten für die Weiterentwicklung des Systems.

 

 

Würdigung durch den Experten

Prof. Heinz Domeisen

Elias Bauer wollte Erfahrungen mit autonomen Systemen sammeln und hat dazu einen PingPong-Roboter entwickelt. Auf der Basis von detaillierten Vorabklärungen ist es ihm gelungen, die handelsüblichen technischen Komponenten so aufeinander abzustimmen und zu programmieren, dass die Flugbahn der Bälle mit hoher zeitlicher Auflösung verfolgt und vom Roboterarm zuverlässig zurückgespielt werden. Verschiedene Messreihen erlaubten die zusätzliche Optimierung des Robotersystems und erweiterten die vielen praktischen Erfahrungen im Bereich der Mechatronik.

Prädikat:

hervorragend

Sonderpreis «Regeneron International Science and Engineering Fair (ISEF)» gestiftet von der Gebauer Stiftung

 

 

 

Kollegium St. Fidelis, Stans
Lehrer: Urs Zellweger