Servo-Labyrinth

Autor:	Linus Sauermann, Torben Moratz
Betreuer:	Marc Ebmeyer

Einleitung

Als Schlüssel zum Rätsel könnte man z.B. eine Batterie erhalten, welche für die Spannungsversorgung des Arduinos dient. Es gibt ein 3D-gedrucktes Labyrinth, in welchem sich eine Kugel befindet. Ziel des Spieles ist es, die Kugel in 4 Ziele in dem Labyrinth zu befördern. Die Kugel wird durch die Neigung des Labyrinths bewegt. Die Neigung wird durch Servomotoren bestimmt, welche durch Potentiometer bewegt werden. Die Potentiometer müssen allerdings erst durch eine Rätselaufgabe freigeschaltet werden. Dies geht mit einer Widerstandsrechenaufgabe, in der man den passenden Widerstand ausrechnen muss, der den Arduino und somit die Schaltung mit Spannung versorgt. In jeder Ecke des Labyrinths wird ein kapazitiver Sensor sein, welcher bei Schaltung eine Ziffer auf dem Display ausgibt. Die 4 Ziffern zusammen ergeben dann den Code für das nächste Rätsel. Das Schwierigkeitslevel lässt sich durch die Widerstandsaufgabe beliebig bestimmen. Wir werden vorerst auf ein einfaches Rätsel zurückgreifen.

Anforderungen

Tabelle 1: Anforderungen an das Servo-Labyrinth
Nr	Inhalt	Prüfbarkeit	Prio	Ersteller	Datum
1	Die Servomotoren sollen das Spielbrett bewegen können.	Sichtkontrolle auf Bewegung	1	Linus Sauermann	10.10.2024
2	Die kapazitiven Sensoren müssen die Kugel erkennen können.	Auswerten der Sensorsignale	1	Linus Sauermann	10.10.2024
3	Ein Display soll bei aktiviertem Sensor den nächsten Code anzeigen.	Auslesen des Displays	1	Torben Moratz	10.10.2024
4	Servomotoren sollen funktionieren, sobald der richtige Widerstand ausgewählt und verbaut wurde.	Verfahren der Servos	1	Torben Moratz	10.10.2024
5	Aufbau erfolgt in Größe eines Schuhkartons.	Ausmessen der Größe des Aufbaus	1	Linus Sauermann	13.11.2024
6	Die Eingabe der Servostellungen erfolgt durch die Potentiometer.	Auswerten der Eingangssignale im Arduino	1	Linus Sauermann	13.11.2024
7	Die Verarbeitung der Werte erfolgt durch den Arduino.	Auslesen der Ausgangssignale des Arduinos	1	Linus Sauermann	13.11.2024
8	Die Ausgabe der Werte und die Neigung des Labyrinthes erfolgt durch die Servomotoren.	Vergleichen der Ausgabewerte mit den Stellungen der Servomotoren	1	Linus Sauermann	13.11.2024
9	Die Ausgabe der Ziffern des Zahlencodes erfolgt durch das LCD-Display.	Auslesen der Ziffern auf dem Display	1	Linus Sauermann	13.11.2024
10	Die Spannungsversorgung erfolgt durch 9v-Blockbatterien.	Messen der Eingangsspannung am Arduino und Hardwarekontrolle, ob korrekte Batterien verwendet werden	1	Linus Sauermann	13.11.2024
11	Erreichen der Kapazitiven Sensoren bedingt die Freischaltung je einer neuen Ziffer des Codes.	Auslösen der Sensoren durch die Stahlkugel	1	Linus Sauermann	13.11.2024
12	Die vier Ziffern des Codes ergeben den Code des nächsten Schlosses.	Einstellen des Codes in das Zahlenschloss	1	Linus Sauermann	13.11.2024
13	Der Widerstandswert für die Spannungsversorgung kann berechnet und der korrekte Widerstand mithilfe einer Tabelle ausgewählt werden.	Formel nachrechnen und mit Tabelle auslesen	1	Linus Sauermann	13.11.2024

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Tabelle 2: Materialliste
Nr.	Anz.	Beschreibung	Link
1	1	Arduino UNO R3	https://www.reichelt.de/arduino-uno-rev-3-smd-variante-atmega328-usb-arduino-uno-p119045.html?&trstct=pos_0&nbc=1
2	4	kapazitive Sensor Debo Touch	https://www.reichelt.de/entwicklerboards-kapazitiver-beruehrungssensor-debo-touch-p253985.html?PROVID=2788&gad_source=1&gclid=CjwKCAjw9p24BhB_EiwA8ID5BsTQKrMjGzJcKi61M2cvp7j0F9U90IqD4a1lsk3y7piSMFPesvBU2xoCtZwQAvD_BwE
3	4	Servomotor JAMARA 033212	https://www.reichelt.de/servo-high-end-micro-analog-jamara-033212-p238316.html?&trstct=pos_7&nbc=1,
4	?	Widerstände
5	?	Leitungen
6	1	Breadboard	https://www.reichelt.de/experimentier-steckboard-set-830-kontakte-power-modul-breadboard-set1-p282601.html?&trstct=pos_7&nbc=1
7	1	Spannungsversorgung/Netzteil
8	1	Stahlkugel ø10mm
9	1	3D-gedrucktes Labyrinth
10	1	LCD-Display mit I2C-Schnittstelle DEBO LCD 16X2 BL	https://www.reichelt.de/entwicklerboards-display-16-x-2-zeichen-blau-debo-lcd-16x2-bl-p192143.html?&trstct=pol_13&nbc=1

Aufgabenstellung:

Ziel ist es, alle Berührungssensoren im Labyrinth nacheinander zu triggern. Dafür steht euch die Kugel bereit. Die Kugel könnt ihr durch die Neigung des Labyrinths steuern. Zuvor muss die Steuerung allerdings erst aktiviert werden. Der Arduino läuft am besten mit 9V. Platzieren Sie an dargestellter Stelle denn richtigen Widerstand um den Arduino mit 9V zu versorgen (falls Sie einen falschen Widerstand auswählen zerstört sich das Rätsel eventuell von selbst).

Es soll ein Kugellabyrinth wie dieses gebaut werden. Es wird 3D-gedruckt. Statt der Drehknöpfe werden Servomotoren genutzt, welche durch Potis angesteuert werden.

Komponentenspezifikation

In diesem Kapitel werden die benötigten Komponenten für die Umsetzung des Projekts beschrieben. In der obigen Tabelle 2 sind alle verwendeten Kaufteile aufgelistet.

Hardware Board:
Für die Umsetzung wurde ein Arduino Uno R3 benötigt.

Sensoren:
Damit die Positionen der Stahlkugel im Labyrinth erkannt werden können, um so die Ziffern des Passwortes freischalten zu können, werden vier kapazitive Sensoren des Herstellers DEBO verwendet. Diese besitzen drei Anschlüsse. Neben der Spannungsversorgung (VCC) und dem Massekontakt (GND) besitzt jeder der Sensoren einen Signalausgang (I/O), welche an die digitalen Eingänge am Arduino angeschlossen werden.

Aktuatoren:
Um die Neigungen des Labyrinthes schnell und präzise einstellen zu können, werden zwei Servomotoren "JAMARA Servo High End Micro" mit einer Betriebsspannung von 4.8 - 6V verwendet. Diese besitzen eine Stellkraft von 1.2 - 1.4 kg/cm bei einer Stellzeit von 0.09 - 0.11 Sek/60° und werden über den Arduino R3 angesteuert.

Steuerung:
Um die Servos anzusteuern, werden zwei Potentiometer mit einem einstellbaren Bereich von 0 - 10 kΩ verwendet.

Ausgabe:
Um die Ziffern der Zahlenkombination auszugeben wird ein LCD-Display der Firma Debo verwendet. Dieses besitzt eine I2C-Schnittstelle, eine Spannungsversorgung von 5V, wird über den R3 angesteuert und kann zwei Zeilen mit jeweils 16 Zeichen anzeigen.

Umsetzung (HW/SW)

Mechanik:

Die Umsetzung hat mit der Konstruktion eines Labyrinthes und der Basis angefangen. Bei der Basis wurde sofort beachtet, dass zwei Servomotoren montiert werden müssen. Die Bauteile sind nicht fest miteinander verbunden, da das Labyrinth nur mit einer Halbkugel in einer Halbkugelaufnahme der Basis liegt. Unter folgenden Links sieht man, wie die Dateien gedruckt wurden:

https://youtu.be/3s5a0_mib68
https://youtu.be/KijWvp9GWoU

Die Servos konnten nun mit leichtem Druck eingepresst (die Sticker an den Servos mussten aufgrund der niedrigen Toleranz entfernt werden) und zusätzlich mit in den Kunststoff verschraubt werden. Um das Moment des Servos in eine lineare Kraft auf das Labyrinth zu übertragen und es somit steuern zu können, müssen passende Hebel entworfen werden. Der erste Versuch bestand daraus, direkt den Hebel auf den Servomotor zu schrauben. Der Motor hat sich dabei allerdings stest durchgedreht und der Hebel wurde nicht mitbewergt. Um dieses Problem zu lösen haben wir die bestehenden Hebel genommen, welche durch ihre Zähne deutlich besser in den Servomotor greifen und ein Durchrutschen nicht ermöglichen, und ihn in unseren Hebel eingelassen. Diese wurden zusätzlich verklebt, um ein Lösen der Hebel voneinander zu verhindern. Folgende Konstruktion ist dabei nach einigen Versuchen entstanden:

Link zum Druckvideo: https://youtu.be/gk-wfAy2J7Y

Der Hebel wurde mittels "Print-In-Place-Konstruktion" 3D-gedruckt. Dies bedeutet, dass man bei der Konstruktion darauf achtet, dass die Bauteile einen gewissen Abstand zueinander haben (in diesem Fall sind die Abstände im Gelenk selbst meistens 0,4mm). Somit kann man den ganzen Hebel samt Gelenk in einem Stück drucken. Der Hebel sieht im Detail und im Schnitt wie folgt aus:

Die Elektrik wird in einem Kasten unter dem Labyrinth versteckt. Der Kasten hat Einlässe für die Leitungen von den Servos, Sensorn, Strom und für das Gamepad. Hier ein Video wie der Kasten gedruckt wurde:https://youtu.be/GTLqi6yRiPU

Um die Ränder des Displays zu verdecken wurde ein Rahmen konstuiert, welcher von außen aufgesetzt wird. Unter folgendem Link ist der Druck zu sehen:https://youtu.be/seOFa7FvqpA

Um die Servos ansteuern zu können wude ein Gamepad aus zwei Teilen entwickelt. Unter folgenden Links sehen Sie wie die Teile gedruckt wurden: https://youtu.be/Kqq0jZhlYXE
https://youtu.be/hIuBtpjJ3dE

Elektrik:

Die Elektrik sieht mit der Planung von Multisim wie folgt aus:

Software:

Die Software wurde mittels eines Programmablaufplans vor strukturiert und sieht wie folgt aus:

Komponententest

Ziel des Testes ist die funktionale Überprüfung und Validierung der folgenden Komponenten: Zwei Servomotoren, Zwei Potentiometer, Vier kapazitive Sensoren Ein I2C Display

Testaufbau:

   Testplattform: Arduino Uno
   Spannungsversorgung: 5V DC
   Software: Für Tests eigens entwickelte Software

Testdurchführung: Schritt eins: Initialisierung udn elektrische Prüfung:

                 ->Kurzschlussprüfung: Statische Widerstandmessung der Anschlüsse
                 ->Firmware-Initialisierung: Mikrocontroller startet mit der Testfirmware, I2C- Bus Kommunikation wird (falls vorhanden) getestet

Schritt zwei: Funktionstest einzelner Komponenten:

Tabelle 3: Funktionstest der Komponenten
Nr	Bauteil	Anzahl der Prüfvorgänge	Prüfmethode	Bestanden/nicht bestanden	Datum	Geprüft von
1	Servomotor	1000	Servomotoren werden von 0 bis 180 Grad in jeweils 30 Grad Schritten angesteuert, danach wird geschaut, ob ein Drift erkennbar ist	Bestanden, kein Drift erkennbar	01.12.2024	Torben Moratz
2	Potentiometer	100	Potentiometer werden von 0 bis 180 Grad in jeweils 30 Grad Schritten angesteuert, dabei wird geschaut, ob jeweils passende Werte angezeigt werden	Bestanden, kein Drift erkennbar	01.12.2024	Torben Moratz
3	kapazitive Sensoren	100	kapazitive Sensoren werden in das Labyrinth eingelegt und die Stahlkugel wird ihnen genähert. Geprüft wird, ob der Sensor schaltet	Bestanden, jede einzelne Berührung erkannt	01.12.2024	Torben Moratz
4	I2C Display	48 Stunden	Das Display soll wechselnde Texte auf dem Display ausgeben. Zur Prüfung wird mittels Sichtkontrolle geschaut, ob Fehler im Display vorhanden sind	Bestanden, keine Fehler erkannt erkannt	01.12.2024	Torben Moratz

Alle zu testenden Komponenten wurde somit getestet und haben bestanden.

Ergebnis

Zusammenfassung

Lessons Learned

Projektunterlagen

Projektplan

Die folgende Abbildung zeigt die Zeitplanung des Projektes zum Stand vom 17.12.2024:

Projektdurchführung

Weblinks

Literatur

→ zurück zur Übersicht: WS 24/25: Escape Game