Pentomino Puzzle

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Autor:	Kevin Ernst und Timo Roch
Betreuer:	Prof. Schneider oder Prof. Göbel oder Marc Ebmeyer

Autor:

Beispielbild eines Pentomino Spiels

Einleitung

Das mechatronische Pentomino Puzzle stellt eine Weiterentwicklung des klassischen geometrischen Rätsels dar. Durch den Einsatz von Magneten, Hall-Sensoren und einem Arduino-Mikrocontroller wird das traditionelle Spiel in ein elektronisches Puzzle für einen Escape Game verwandelt. Diese Zusammenführung von Mechanik und Elektronik schafft eine einzigartige Spielerfahrung, die sowohl die räumliche Vorstellungskraft als auch das logische Denken der Teilnehmer herausfordert. Damit ist das Pentomino Puzzle ideal für die Umsetzung des Projektes im Fachpraktikum Mechatronik im Masterstudiengang Business and Systems Engineering. WS 24/25: Escape Game

Escape Rooms sind teambasierte Spiele, bei denen Spieler Rätsel lösen, Experimente durchführen und Aufgaben erfüllen. Wird das Puzzle richtig gelöst wird ein vierstelliger Zahlencode ausgegeben, um das nächste Escape Game spielen zu können.

Anforderungen

Anforderungen an das Escape Game:

• Jedes Rätsel muss von der Größe her in einen Schuhkarton passen, damit es zu einem Escape-Mobil kombiniert werden kann.
• Jedes Rätselfach wird über ein Schloss mit Schlüssel oder Zahlen geöffnet.
• Ende jedes Rätsels ist ein Schlüssel, 3-4 stellige Zahlenkombination oder Umsetzungstabelle (z. B. Farben/Noten/... in Zahlen).
• Ausnahme können kombinierte Rätsel bieten. Zwei Teams überlegen sich eine abweichende Schnittstelle.
• Für dese Rätsel muss ein Schwierigkeitscode angegeben werden (Einsteiger, Fortgeschrittene, Profi). Das Einsteiger Level ist für Rätsel-Freunde, die noch keine oder wenige Erfahrungen mit Escape-SpieleEscape-Spiele haben. Das Level Fortgeschrittene wird für Rätsel-Fans empfohlen, die schon mehrere Escape Spiele gespielt haben und das Level Profis geht an die Rätsel-Meister.
• Jedes Rätsel sollte in ca. 5 Minuten lösbar sein.
• Stellen Sie für jedes Rätsel für die Spielleiter*in Tipps und Musterlösung bereit.
• Zur Lösung der Haupträtsel darf, sofern der Bedarf bestehen sollte, in den entsprechend bereit gestellten Fachbüchern nachgelesen werden. Eine Internetrecherche (durch Handys, Tablets, Laptops) ist nicht erlaubt, das heißt digidetox = digital detoxification (digitale Entgiftung) spielt daher auch eine Rolle.

Tabelle 1: Anforderungsliste (Lastenheft)

Nr.	Priorisierung	Anforderung	Bemerkung
1	Gering	Größe: Das Puzzle muss in einen Schuhkarton passen.
2	Mittel	Einfaches Rätsel für Escape-Room-Einsteiger	Einsteiger
3	Hoch	Lösungszeit: Etwa 5 Minuten.	Hinweise nach 3 und 4 Minuten
4	Hoch	Ausgabe: Vierstelliger Zahlencode bei korrekter Lösung.
5	Mittel	Spielbrett: Integrierte Hall-Sensoren (6 Stück, Typ TLE 4905L), Material: 3D-gedrucktes PLA
6	Mittel	Pentomino-Teile, Anzahl: 6 Stück, Material: 3D-gedrucktes PLA, Eingelassene Magnete mit einzigartiger Positionierung pro Teil
7	Hoch	Mikrocontroller, Typ: Arduino Uno R3
8	Hoch	Ausgabemechanismus, Servo-Motor: JAMARA 033212 High End Micro Analog
9	Hoch	Die Klappe öffnet sich nur wenn alle Spielsteine richtig liegen
10	Hoch	Nach dem händischen schließen muss der Reset Butten zur Verriegelung der Klappe gedrückt werden	Anschließend kann erneut gespeilt werden
11	Hoch	Stromversorgung: Steckernetzteil 9V für Arduino
12	Hoch	An/Aus-Schalter
13	Hoch	Hauptprogramm: Kontinuierliche Überprüfung der Hall-Sensoren, Steuerung des Servo-Motors zur Codeausgabe
14	Mittel	Initialisierungsroutine: Systemstart und Kalibrierung der Sensoren
15	Hoch	Das Arduino-System wird über Matlab-Simulink gesteuert
16	Mittel	Das System muss benutzerfreundlich und für Kinder wie Erwachsene geeignet sein.
17	Hoch	Tipps und Musterlösung für Spielleiter bereitstellen

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Projektzeichnung Spielidee

Unser Hauptprogramm ist aufgeteilt in 3 Unterprogramme die gleichzeitig ausgeführt werden.

Diese Unterprogramme sind die Längsregelung, die Querregelung und die Ausführung der Kamera.

Der funktionale Systementwurf sieht ein Spielbrett vor, in das Hall-Sensoren eingebettet sind. Die Pentomino-Teile werden mit Magneten ausgestattet, deren Position für jedes Teil einzigartig ist. Ein Arduino Uno verarbeitet die Signale der Hall-Sensoren und steuert ein Servomotor so an, dass die Ausgabe des vierstelligen Codes erfolgt.

Technischer Aufbau:

• Spielbrett mit integrierten Hall-Sensoren
• Pentomino-Teile mit eingebetteten Magneten
• Arduino Uno R3-Mikrocontroller zur Signalverarbeitung
• Mechanische Ausgabe des vierstelligen Codes
• Stromversorgung über Stromkabel

Technischer Systementwurf:

Projektzeichnung Technischer Systementwurf

Unser Hauptprogramm ist aufgeteilt in 3 Unterprogramme die gleichzeitig ausgeführt werden.

Diese Unterprogramme sind die Längsregelung, die Querregelung und die Ausführung der Kamera.

Der in der Abbildung dargestellte technische Systementwurf zeigt die Architektur des Arduino-basierten Pentomino Puzzles.

Eingabekomponenten

• Hall-Sensoren: Insgesamt sechs Hall-Sensoren (A0 bis A5), die an verschiedenen Analogeingängen des Arduino angeschlossen sind
• Reset Taster: Angeschlossen am digitalen Eingang DI des Arduino
• Spannungsquelle: Verbunden mit dem Arduino zur Stromversorgung

Ausgabekomponenten

• Elektromotor: Angesteuert über den PWM3-Ausgang des Arduino

Signalwege

• Analoge Eingänge: A0 bis A5 für die Hall-Sensoren
• Digitaler Eingang: DI für den Reset-Taster
• PWM-Ausgang: PWM3 zur Motorsteuerung
• Stromversorgung: Separate Spannungsquelle zur Systemversorgung

Komponentenspezifikation

Tabelle 1: Materialliste (BOM)

Nr.	Anz.	Beschreibung
1	6	Pentomino-Teile: 3D-gedruckt mit eingelassenen Magneten [1]
2	6	Hall-Sensoren: TLE 4905L Hallsensor, digital, uni-/bipolar, 3,8 - 24 V [2]
3	1	Gehäuse 3D-Druck
4	1	Mikrocontroller: Arduino Uno R3 [3]
5	1	DEBO KABELSET8 Entwicklerboards - Steckbrückenkabel, 20cm, 3x 20 Kabel [4]
6	1	Stromversorgung: Steckernetzteil 9V für ARD Mega [5]
7	1	Taster TRU COMPONENTS 701280 GQ 16F-S Vandalismusgeschützter Drucktaster 48 V/DC 2 A 1 x Aus/(Ein) tastend IP65 [6]
8	1	Servo-Motor: JAMARA 033212 Servo High End Micro Analog [7]
9	1	An/Aus-Schalter TRU COMPONENTS 700185 Wippschalter R13-112A B/B 0-I 250 V/AC 6 A 1 x Aus/Ein rastend [8]

Umsetzung (HW/SW)

Hardware:

Konstruktion

Das Spielbrett, die Puzzleteile und das Gehäuse wurden in SolidWorks konstruiert. SolidWorks ermöglichte eine einfache Modellierung aller Komponenten unter Berücksichtigung der spezifischen Anforderungen des Spiels. Nach Abschluss der Konstruktion wurden die Modelle im SCL-Dateiformat gespeichert, um für den 3D-Druck nutzbar zu sein.

Vorbereitung für den 3D-Druck

Die erstellten SCL-Dateien wurden anschließend in den Bambulab-Slicer importiert. Dieser spezielle Slicer ist darauf ausgelegt, 3D-Modelle für den Druck mit Bambulab-Druckern vorzubereiten, indem er sie in dünne Schichten zerlegt und den Druckpfad für den 3D-Drucker generiert.

Druckeinstellungen und Materialwahl

Im Bambulab-Slicer wurden die spezifischen Druckeigenschaften sorgfältig eingestellt. Diese Einstellungen umfassen Parameter wie:

• Schichthöhe: 0,1 mm für Spielbrett sonst alle Komponenten 0,2 mm
• Druckgeschwindigkeit: Abhängig von Drucker und Material --> Standard für PLA sollte bevorzugt werden
• Füllgrad: 15-20 %
• Struktur der Füllung: Einfache Linien (Monotonisch)
• Temperatur für Druckbett und Düse: Abhängig von Material (Für PLA ca.: Druckbett 40 Düse 220)

Als Druckmaterial wurde PLA (Polylactid) von Bambulab gewählt, ein biologisch abbaubarer Kunststoff, der sich durch gute Druckeigenschaften und eine glatte Oberfläche auszeichnet.

Druckprozess mit Magnetintegration

Der Druckvorgang selbst war besonders interessant, da er die Integration von Magneten in die Puzzleteile und der Klappe beinhaltete. Dieser Prozess lief wie folgt ab:

1. Start des Druckvorgangs mit den vorbereiteten Einstellungen.
2. Pausieren des Drucks in der spezifischen Ebene, in der die Magnete platziert werden sollten.
3. Manuelles Einsetzen der Magnete in die vorgesehenen Aussparungen.
4. Fortsetzen des Druckvorgangs, wobei die nachfolgenden Schichten die Magnete fest umschlossen und integrierten.

Diese Methode ermöglichte eine nahtlose Integration der Magnete in die Puzzleteile, ohne dass nachträgliche Materialbearbeitung erforderlich waren.

Funktionsweise von Hall-Sensoren
Ein Hall-Sensor besteht aus einem dünnen Halbleiterplättchen, durch das ein elektrischer Strom fließt. Wenn ein Magnetfeld senkrecht auf dieses Plättchen einwirkt, werden die Ladungsträger im Halbleiter durch die Lorentzkraft abgelenkt. Diese Ablenkung führt zur Entstehung einer elektrischen Spannung quer zur Stromrichtung, der sogenannten Hall-Spannung. Die Hall-Spannung ist proportional zur Stärke des einwirkenden Magnetfeldes. Moderne Hall-Sensoren integrieren zusätzliche Elektronik auf dem Chip, um diese Spannung zu verstärken und in ein verwertbares Ausgangssignal umzuwandeln. Je nach Anwendung kann dieses Signal analog oder digital sein: Analoge Hall-Sensoren:

• Liefern ein kontinuierliches Spannungssignal, das proportional zur Magnetfeldstärke ist.

Digitale Hall-Sensoren:

• Vergleichen die gemessene Magnetfeldstärke mit einem Schwellwert und schalten ihren Ausgang entsprechend um.

Für den Aufbau wurden Analoge Hall-Sensoren vom Typ 49E verwendet. Diese liefern ein kontinuierliches Spannungssignal, das proportional zur Magnetfeldstärke ist

Software:

Programmablaufplan

Projektzeichnung Programmablaufplan

Der Programmablaufplan zeigt die Steuerungslogik für ein Pentomino Puzzle mit folgender Ablaufsequenz: Hauptablauf

• Nach dem Start erfolgt zunächst eine Initialisierung des Systems. Danach geht das Programm in die Main Loop über.

Sensorprüfung und Klappensteuerung

• In der Hauptschleife wird kontinuierlich überprüft, ob alle 6 Magnete durch die Hall-Sensoren erkannt werden. Wenn dies der Fall ist ("ja"), wird ein Motor aktiviert, um eine Klappe zu öffnen.

Warte-Zustand

• Nach dem Öffnen der Klappe geht das System in einen Warte Loop über. In dieser Warteschleife wird geprüft, ob der Reset-Taster gedrückt wurde:
  • Bei "nein" verbleibt das System im Warte-Loop
  • Bei "ja" wird der Motor aktiviert, um die Klappe zu verriegeln

Modellbasierte Programmierung

Schaltplan

Verdrahtungsplan

Komponententest

In den Komponententests werden sämtliche Funktionalitäten des Projekts einzeln geprüft, um sicherzustellen, dass jede Komponente ordnungsgemäß funktioniert. Eine detaillierte Dokumentation der einzelnen Komponententests wird erstellt, die folgende Informationen umfasst:

• Die jeweilige Komponente
• Angewandte Testmethoden
• Erwartete Ergebnisse
• Gemessene Ergebnisse

Diese strukturierte Aufzeichnung ermöglicht eine umfassende Überprüfung der Funktionalität jeder Komponente und bildet die Grundlage für eine gründliche Qualitätssicherung des gesamten Projekts.

Erster Prototyp

3D-Druck:

Erster Prototyp-Druck:
Nach der ersten Konstruktion wurde ein Testdruck der konstruierten Komponenten (Spielbrett und Puzzleteile) durchgeführt. Dabei sind zwei Dinge aufgefallen.

1. Das Oben und Unten der Puzzleteile muss klar definiert sein, sonst ergeben sich falsche Magnetpositionen.
2. Die Teile benötigen Griffe um das platzieren und entfernen vom Spielbrett zu erleichtern.

Außerdem wurden die Maßtoleranzen leicht angepasst um den Puzzleteilen auf dem Spielbrett minimal mehr Spiel zu geben.

Zweiter Prototyp-Druck:

Zweiter Prototyp

1. Die beim ersten Prototypen-Druck erkannten Probleme wurden beseitigt, so das sich die Puzzleteile leicht auf das Spielbrett legen und wieder entfernen lassen.
2. Zusätzlich wurde der Rand des Spielbretts verbreitert um Platz für Muttern zur Befestigung zu schaffen.
3. Erhöhung der unteren und oberen Schichtanzahl auf jeweils 4 Schichten damit die Magnete nicht mehr durch den Spielstein zu sehen sind.

Hall-Sensoren:

Zur Erprobung der Hall-Sensoren wird ein Ausschnitt des Spielbretts mittels 3D-Druck gefertigt. Diese Testversion ermöglicht die präzise Installation und Verkabelung eines einzelnen Sensors. Nach der Montage dient der Ausschnitt als Testplattform: Ein regulärer Spielstein mit integriertem Magneten wird auf die Oberfläche platziert, um die Erkennungsfähigkeit des Sensors zu überprüfen. Dabei wird insbesondere getestet, ob der Sensor den Magneten zuverlässig durch zwei Schichten des PLA-Druckmaterials detektieren kann. Diese Methode gewährleistet eine realitätsnahe Simulation der späteren Spielbrettbedingungen und ermöglicht eine genaue Beurteilung der Sensorleistung.

Testergebnis:

• Sensorwert wenn der Spielstein nicht auf dem Spielbrett liegt : 2,26 V
• Sensorwert wenn der Spielstein auf dem Spielbrett liegt: 4,11 V

Der Test Zeigt das der Magnet im Spielstein deutlich vom Hall-Sensor erkannt wird.

• 

  Anschluss Funktionstest

• 

  Spielbrettaufbau ohne Stein

• 

  Spielbrettaufbau mit Stein

• 

  Testprogramm Hall-Sensor

Reset-Taster:

Zur Erprobung des Reset-Tasters wird ein Testaufbau mit dem Mikrocontroller erstellt. Diese Testversion ermöglicht die präzise Installation und Verkabelung eines einzelnen Reset-Tasters. Nach der Montage dient der Aufbau als Testplattform: Der Reset-Taster wird an einen Eingang des Mikrocontrollers angeschlossen, während eine LED zur Signalisierung des Reset-Zustands verwendet wird. Zusätzlich muss bei der Implementierung des Tasters der interne Pullup-Widerstand des Arduino aktiviert werden ().
Der Test umfasst folgende Schritte:

1. Betätigung des Reset-Tasters für verschiedene Zeitspannen (kurz, mittel, lang).
2. Überprüfung der Reaktion des Mikrocontrollers auf die Tasterbetätigung.
3. Beobachtung des Taster-Zustandes zur Verifizierung des Reset-Vorgangs.

Diese Methode gewährleistet eine realitätsnahe Simulation der späteren Einsatzbedingungen und ermöglicht eine genaue Beurteilung der Reset-Taster-Funktion.
Testergebnis:

• Kurze Betätigung: Kein Reset
• Mittlere Betätigung: Erfolgreicher Reset des Systems
• Lange Betätigung: Erfolgreicher Reset des Systems

• 

  Einbau Taster

• 

  Verkabelung Taster

• 

  Test einlesen Taster

Motor und Klappe:

Zur Erprobung des Servomotors und der Klappe wird der Aufbau mittels 3D-Druck gefertigt. Der Aufbau der Gesamtkonstruktion ermöglicht die präzise Installation und Verkabelung des Servomotors sowie die Montage der Klappe. Nach der Installation dient der Aufbau als Testplattform: Der Servomotor wird an den Mikrocontroller angeschlossen, der die Steuerungssignale sendet.

Der Test umfasst folgende Schritte:

• Kalibrierung des Servomotors für die korrekte Öffnungs- und Schließposition der Klappe.
• Durchführung mehrerer Öffnungs- und Schließzyklen zur Überprüfung der Zuverlässigkeit.
• Überprüfung der Stabilität der Klappe in geöffnetem und geschlossenem Zustand.

Testergebnis: Klappe hält in beiden Endpositionen zuverlässig.

Der Test zeigt, dass der Servomotor die Klappe zuverlässig und präzise öffnet und nach dem schließen verriegelt. Anschließend halten die Magnete in der Klappe diese in Position.

• 

  Anschluss Servomotor

• 

  Servomotor Mittig

• 

  Servomotor ausgefahren

• 

  Servomotor öffen der Klappe

• 

  Test Servomotor

Gesamtaufbau:

Nach den Test der Einzelkomponenten wird das Gesamtsystem zusammengesetzt und ein umfassender Systemtest durchgeführt, der sämtliche Funktionen beinhaktet. In diesem Zusammenhang wird die Anforderungsliste erweitert und der die Erfüllung der einzelnen Anforderungen überprüft. Dadurch können sämtliche Funktionalitäten systematisch geprüft und die Ergebnisse objektiv bewertet werden.

• 

  Verdrahtung Spielbrett Hall-Sensor

Zusammenfassung

Lessons Learned

Strategische Planung

• Gründliche Planung als Basis für Projekterfolg. Frühzeitige Erkennung von Hindernissen.

Effizientes Ressourcenmanagement

• Klare Aufgabenteilung und realistisches Zeitmanagement fördern Verantwortlichkeit und Qualität der Arbeit.

Kollaborative Softwareentwicklung

• Nutzung von einer Simulink-Bibliotheken für reibungslose Teamarbeit und Vermeidung von Konflikten.

Fertigungstoleranzen berücksichtigen

• Frühzeitige Einbeziehung von Toleranzen, besonders beim 3D-Druck, zur Minimierung von Nacharbeiten.

Kommunikation und Agilität

• Regelmäßiger Austausch im Team und flexible Anpassung an Änderungen.

Qualitätssicherung

• Tests und kontinuierliche Überprüfungen zur Gewährleistung der Produktqualität.

Dokumentation

• Sorgfältige Aufzeichnung von Prozessen und Entscheidungen für zukünftige Projekte und kontinuierliche Verbesserung.

Projektunterlagen

Projektplan

Projektplan Pentomino Puzzle

Der Projektplan zeigt den zeitlichen Ablauf des Projekt von Ende September 2024 bis Mitte Januar 2025. Die Abbildung zeigt ein Gantt-Diagramm, dass die Einzelnen Aufgaben als Balken darstellt. Es sind Start- und Endzeit, der Bearbeitung und der Fortschritt der jeweiligen Aufgabe dargestellt.

Projektdurchführung

Die Projektdurchführung orientiert sich dabei an dem aufgestellten Projektplan. Es wurde darauf geachtet, die terminlichen Vorgaben einzuhalten. Die Durchführung an sich hat, abgesehen von krankheits- und feiertagsbedingten Ausfällen, zwischenzeitlich zu einer Verzögerung von ein Paar 3-4 geführt. Dieser Verzug konnte jedoch durch intensive Arbeitstage ausgeglichen werden.

Weblinks

• Dieses ZIP-Archiv enthält alle relevanten CAD- und Programmier-Dateien für das Projekt. Die Dateien können verwendet werden, um die Konstruktionen und Modelle in einer CAD-Software zu öffnen und weiter zu bearbeiten. Bitte stellen Sie sicher, dass Sie über eine geeignete Software verfügen, um die Dateien zu extrahieren und anzuzeigen.

Literatur

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