Quentin Quevy en Eward Maeseele Jenga-Bot

Gerealiseerd in opdracht van Vrije Universiteit Brussel in het kader van de opleiding Industrieel Ingenieur en mogelijk gemaakt dankzij Fablab Brussels.

output_GuSAyj

Uitleg van de opdracht en onze aanpak:

Voor het vak Technische Vaardigheden Elektromechanica met Ontwerpproject hebben we de opdracht gekregen om een robot te prototypen die het spel Jenga kan spelen. Hierbij moesten we de gebruikelijke Jenga regels volgen, ook kregen we een intense reeks deadlines waar we telkens een specifieke opdracht tot een goed einde moesten brengen. Het uiteindelijke doel was om een grote Jenga competitie te houden met alle werkende robots.

Bij onze robot hebben we vooral  gebruik gemaakt van de “trial and error’” techniek. Deze techniek heeft er voor gezorgd dat we niet enkel een leerrijke ervaring achter de rug hebben, het zorgde er ook voor dat onze uiteindelijke robot er helemaal anders uitziet dan de eerste concept-tekeningen. Hoewel het mogelijk is dat we te weinig overleg hadden met betrekking tot de uiteindelijke samenwerking van onze concepten, is de uiteindelijke robot toch een succes dankzij ons vermogen om probleemoplossend denken. De grootste les die we uit deze opdracht geleerd hebben is dat het belangrijk is om een duidelijk samenhangend concept te maken.

De uiteindelijke Robot bevat geen microcontroller en de zeven dc-motoren waarvan de robot gebruik maakt worden uitsluitend bestuurd door een afstandbediening gemaakt uit mechanische schakelaars, drukknoppen en zelfgemaakte spanningsdelers. Het hoge aantal dc-motoren is noodzakelijk daar we voor een statische robot gekozen hebben die gebruik maakt van ophaalbruggen om de opgelegde afstand van de startlijn tot finish te overbruggen. Voor elke vrijheidsgraad hebben we gebruik gemaakt van een combinatie van dc-motoren en draadstangen. De dc-motoren zorgen voor een hoger vermogen en gemakkelijker aansturing dan steppemotoren en servo’s. Het nadeel is wel dat dc-motoren minder precies zijn maar dit hebben we opgelost door gebruik te maken van draadstangen. De combinatie van draadstang en dc-motor resulteert in een groot vermogen en een hoge precisie.

Geschiedenis Robot:

De geschiedenis van de robot is turbulent en niet zonder frustraties. Het originele concept zou een rek op wielen worden dat gebruik maakt van draadstangen om een platform te ondersteunen en het de mogelijkheid te geven om via de ruimtelijke x-,y- en z-as te bewegen. Op het platform zou een zuigkopje komen dat van een draadstang gebruik maakt om voor- en achteruit te bewegen om zo een aangetrokken Jenga blokje op een latje te trekken. De zuigkracht zou komen van een grote spuit die vacuüm getrokken werd door hetzelfde draadstangensysteem als datgene waarvan het zuigkopje gebruik maakt.

De eerste verandering die we doorvoerden is dat we de vooruit- en achteruitbeweging van het rek niet nodig hadden gezien de wielen voor deze beweging zouden zorgen. Vervolgens moesten we afstappen van het zuigsysteem daar de dc-motor op draadstang niet snel en krachtig genoeg was om de spuit genoeg vacuüm te trekken, dus om betrouwbaar te werken. De oplossing bestond erin om het zuigkopje te houden en de vooruit- en achteruitbeweging te gebruiken om de blokjes er uit te duwen. Bovenop deze duwer plaatsten we een liftsysteem, wat er voor zorgde dat het geduwde blokje geklemd kon worden tussen de bovenkant van deze lift en de duwer. Door de lengte van de duwer en draadstang overschreed dit  duw- en grijpsysteem ruim de opgelegde afmetingen, dit werd opgelost door middel van een DC-motor gestuurde ophaalbrug die ervoor zorgde dat het gehele systeem inklapbaar werd.

Photo 26-03-2015 16 24 03

Om op deze manier een blokje te nemen moest de toren bij elke zet twee keer omgedraaid worden, wat betekende dat we voor elke zet twee keer naar voor en naar achter moesten rijden. Hier werden we met ons volgende probleem geconfronteerd : om naar voor en naar achter te rijden maakten we gebruik  van steppen motoren die aangestuurd werden door zelfgemaakte steppedrivers en Arduino Uno bordjes. Met het rijden hadden we echter veel problemen, de wielen slipten door, de motoren hadden nauwelijks genoeg vermogen om te rijden, de tandwieltjes op de stangen van de motoren slipten door,  de Arduino bordjes gingen stuk, …

Uiteindelijk beslisten we dat het rijden te onnauwkeurig en onbetrouwbaar was, dus opteerden we voor een stilstaande robot die de opgelegde afstand overbrugde met het eerder besproken ophaalbrugmechanisme. Hiervoor moesten we echter nog een tweede ophaalbrug maken die de het rotatiemechanisme voor de Jenga toren tot bij de toren moest brengen. Alles werd opnieuw getekend om de ophaalbruggen te integreren in het design en een stilstaande basis werd gemaakt. Omdat het duw- en grijpsysteem enorm zwaar geworden was, zorgde het voor een groot moment op het frame van de robot. Hiervoor werden op de nodige plaatsen verstevigingen in aluminium aangebracht en de basis werd gevuld met lood. Omdat we nu niet meer achteruit konden met de grijper ontwikkelden we een nieuw systeem waar de grijper op een verhoog stond dat met lagers vasthing aan een kopie van het duwsysteem. Dit verhoogde systeem zorgde er echter wel voor dat enkel de bovenste blokjes genomen konden worden.

Photo 21-05-2015 14 13 04

 

Photo 21-05-2015 14 13 35

 

 

Tijdens het testen merkten we snel dat het frame van de robot te scheef getrokken werd door het grote moment dat ontwikkeld werd door de hand waardoor we bij het naar boven gaan steeds dichter bij de Jenga toren kwamen. Dit werd hersteld door het geheel omhoog te duwen door een stang met glijlagers op. Het motorhuis verantwoordelijk voor de linkse en rechtse beweging zou steunen op deze lagers waardoor de stang kon duwen zonder de links en rechts beweging tegen te werken.

Photo 20-05-2015 19 51 57 Photo 20-05-2015 19 51 52

De laatste aanpassing die uitgevoerd werd was het compleet opnieuw ontwerpen van  het gehele grijpsysteem. Het oude liftsysteem op een verhoog werd afgedankt en in de plaats kwam een L-vormig blokje dat voor- en achteruit kon bewegen met behulp van het draadstangsysteem dat voordien gebruikt werd om het verhoogde platform vooruit te duwen en achteruit te trekken. Het L-vormig blokje zou achter een Jenga blok geplaatst worden waarna de duwer  het blokje vast klemde tussen zichzelf en het L-vormig blokje. Dit systeem heeft verschillende voordelen zoals de verbeterde nauwkeurigheid, de drastische vermindering van gewicht en het wegnemen van de nood om bij elke zet de toren te roteren.

Photo 21-05-2015 14 13 18

De hele robot wordt gestuurd door een zelf ontworpen afstandsbediening die enkel gebruik maakt van analoge elektronica. Dit maakt de robot veel robuuster en betrouwbaarder.

Hieronder vind u een kort informatie filmpje voor de robot:

Klik hier om het filmpje te bekijken.

De werking van de robot:

Om een blokje te nemen vanuit startpositie moeten er X stappen ondernomen worden.

Stap één:

De eerste stap bestaat er in om de twee ophaalbruggen naar beneden te laten. Opgelet! U begint met de rotatie ophaalbrug neer te laten, vervolgens laat u de ophaalbrug van de grijper neer. Zorg er hierbij voor dat de hand waterpas staat. Zie nummering op foto.

Stap twee:

De tweede stap bestaat er in om de knoppen “Verticaal” en “Horizontaal” te gebruiken om de grijper te positioneren naar het te nemen blokje.

Stap drie:

De derde stap bestaat er in om het witte blokje en het zwarte blokje beiden naar de toren te bewegen door op de knoppen “Grijper: Duw” en “Grijper: Horizontaal” te drukken. Doe dit tot de twee kanten rakend staan aan het blokje. Druk vervolgens enkele keren voorzichtig op “Grijper: Duw” tot het blokje stevig ingeklemd is.

Stap vier:

Deze stap is de meest cruciale stap. Het is de enige stap waarbij er een reële mogelijkheid bestaat dat de toren omvalt. Deze kans is echter zeer klein door de precisie waarmee de robot bediend kan worden.
Het is de bedoeling om het ingeklemde stukje uit de toren te halen door simpelweg op de knop “Horizontaal” te drukken. Opgelet! Zorg er voor dat de schakelaar van “Horizontaal” op rechts staat zodat u de toren niet omver duwt. Druk op de knop tot het  blokje op een comfortabele afstand van de rand van de toren staat.

Stap vijf:

De vijfde stap bestaat er in om het gegrepen blokje naar de bovenkant van de toren te manoeuvreren. Gebruik hiertoe de knoppen “Verticaal” en “Horizontaal”.

Stap zes:

De laatste stap bestaat er in om het genomen blokje los te laten aan de bovenkant van de toren. Opgelet! Zorg ervoor dat u het blokje niet van te hoog laat vallen, gebruik hiertoe de knop “Verticaal”. Om het blokje los te laten controleert u eerst of de schakelaar van de knop “Grijper: Duw” op “achteruit” staat en vervolgens drukt u voorzichtig op deze knop. Na een kort tikje op de knop komt het blokje los.

Photo 20-05-2015 19 52 20

 Proficiat! U hebt succesvol Jenga gespeeld met een robot!

DSC_6504

Het maken van de robot:

In deze sectie zal u kort uitgelegd hebben wat u nodig hebt om de robot zelf te fabrikeren.

Benodigde materiaal:

- MDF 3mm: een halve plaat

- Berk(of andere stevige houtsoort naar keuze) 3mm: 100 cm^2

- DC motoren (24v, 120rpm): 7 stuks

- 3 mm moeren en bouten: ongeveer 60 stuks

- 8 mm moeren: 15 stuks

- 6mm moeren: 16 stuks

- 6mm bouten: 6 stuks

- 8 mm assen: 1.8 m

-6mm assen: 0.5 m

- 8 mm  draadstang: 0.9 m

- 6 mm draadstang: 0.7 m

- 8 mm glijlagers: 8 stuks

- 6 mm glijlagers: 8 stuks

- 6 mm rollagers: 6 stuks

- Nylon draad: 2 m

- PLA voor 3Dprinter: 100g

- L profiel in aluminium 10cm x 5cm x 20cm: 3 stuks

- Dubbelpolige schakelaars: 7 stuks

- Drukknoppen: 7 stuks

- Suikertjes: 20 stuks

- 18 Ohm weerstanden: 2 stuks

- D-SUB connector 27 pins M: 1 stuk

- D-SUB connector 27 pins F: 1 stuk

- Plexiglas 3mm : 200 cm^2

- Voltmeter display: 1 stuk

- Loodplaatjes: ongeveer 2 kg

 

Lasercutter en 3Dprinter files:

Files voor het bouwen van de robot

onderkantduwer

Het in elkaar steken:

  1.  Motorhuizen:Er zijn twee verschillende motorhuizen, het bestand “Motorhuis1″ is voor de motor verantwoordelijk voor de verticale beweging en “Motorhuis2″ voor de links rechts beweging.Steek de uitgesneden motorhuizen in elkaar en gebruik 3mm moeren en bouten op de daarvoor voorziene plaatsen(zie foto)
    Moeren&boutenBreng langs elke kant van het motorhuis twee 8mm lagers in op de daarvoor voorziene plaatsen, zorg dat deze uitgelijnd staan.De 3Dprint file “Boltgear” is voor de speciaal ontworpen gelagerde moer die op de draadstang komt. Print deze file twee keer en breng bij elke stuk twee 8mm moeren in op de daarvoor voorziene uitsparingen op de boven en onderkant van het stuk. In het midden van het motorhuis ziet u 3 kleine gaten met een groter gat in het midden (zie foto) steek 6mm bouten door de kleine gaten. Zet deze bouten vast met moeren en steek op elke bout een 6mm rollager, zet deze rollagers vast met bouten. Klem het geprinte stuk in tussen de rollagers.DrieGatenBevestig het uit plexiglas gesneden stuk “Tandwiel2″ op de motor en bevestig de motor op de daarvoor voorziene plaats (zie foto). Steek door de lagers langs elke kant de 8 mm assen (voor motorhuis één: 2×0.6m ; voor motorhuis twee: 2×0.3m) en door het grote gat omringd door drie kleine gaten de 8 mm draadstang (voor motorhuis één: 1×0.6m ; voor motorhuis twee: 1×0.3m).
  2. Ophaalbruggen:
    Deze stap moet u twee keer maken aangezien u twee ophaalbruggen nodig hebt.
    Snij de file “Touw” uit en steek deze in elkaar. Neem een motor en bevestig deze op de daarvoor voorziene plaats. Snij uit plexi de file “GrootWielX2″ twee keer uit en bevestig deze samen met de drie kleine MDF wieltjes met 3mm bouten en moeren met de kleine wielen ingeklemd door de grote. Klem nylon draad in tussen één van de bouten die je gebruikt voor de wielen samen te houden. Bevestig het gemaakte wieltje op de as van de dc motor met behulp van een 3mm bout.Bevestig de ophaalbruggen op de twee motorhuizen en de lange plaat op de onderkant van motorhuis twee met behulp van een scharnier.
  3. Basis:
    Snij de file “Base” uit en steek het in elkaar. Leg het lood zo veel mogelijk aan de achterkant van de basis. Snij de file “Houder” uit 3mm berk. Bevestig aan de twee achterste hoeken van de base een aluminium L-profiel en bevestig de uitgesneden houten houders aan deze aluminium plaatjes. Bevestig de twee 8mm assen en de 8mm draadstang van motorhuis twee tussen de houders. Proficiat, het frame van de robot is klaar.
  4. Grijper:
    Print het bestand grijper uit en bevestig de twee motoren op de daarvoor voorziene plaatsen. Maak de lagerhouders en bevestig de 6mm lagers hierin en bevestig de lagerhouders hierop. Print de .stl files in de map “Grijper3D”.Bevestig een  moer in het stuk “TandwielMoerX2″. Op een stuk 6mm draadstang van 0.6m bevestigt u het stuk “TandwielMoerX2″. Herhaal deze handeling op een stuk 6mm draadstang van 0.2m.Bevestig het stuk “duwer” op de korte draadstang en het stuk “knijperAchter” op de lange draadstang.  Bevestig de vier stukken “lagerhoudersX4″ op de daarvoor voorziene plaatsen en klem het stuk “TandwielMoer” in tussen twee 6mm rollagers. Bevestig de twee stukken “TandwielX2″ op de stangen van de DC motoren. Bevestig de hele plaat met behulp van een scharnier aan het laatste aluminium L-profiel en bevestig dit L-profiel aan motorhuis één.

    Proficiat, uw robot is klaar. Veel Jenga plezier!

 



Leave a Reply

You must be logged in to post a comment.