Pentomino Puzzle

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.

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
• Druckgeschwindigkeit
• Füllgrad
• Struktur der Füllung
• Temperatur für Druckbett und Düse

Als Druckmaterial wurde PLA (Polylactid) 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 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.

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

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:

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.

Literatur

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