Konzeptphase

Laseranbringung

Die Konzeptphase bestand in unserem Fall aus zwei Teilen. Im ersten Teil wurde nach kurzem Brainstorming ein einziges Konzept weiter ausgearbeitet. Als erstes wurde sich darauf geeinigt, einen Kasten mit „Sichtschlitz“ für den Laser zu bauen, in dem der Laser festgeschraubt wird. Der Laser sollte dabei auf eine Grundplatte geschraubt werden, welche durch Winkelstahl an den Kasten geschraubt wird. Der Kasten selbst sollte zunächst aus zwei zusammengeschweißten VA2 Winkelprofilen bestehen, was allerdings aus Gründen der Einfachheit nicht durchgeführt wurde und stattdessen ein 70x70mm Aluminiumrohr zum Einsatz kam.

Die Anbringung in diesem Konzept besteht aus einem 60mm breiten Flachstahl an den ein aus 30mm Flachstahl gefertigtes L-Profil angeschweißt wurde. An beiden Profilen waren Langlöcher vorgesehen, um den Laser in einem bestimmten Bereich in horizontaler und vertikaler Richtung verstellen zu können.

Teil zwei der Konzeptphase begann nach ersten Testläufen mit dem bereits fertiggesellten ersten Konzept. Bei den Testläufen fiel auf, dass u.a. der Akkuwechsel des Roboters auf Grund der Anbringung zu lange dauern würde, die Verstell Möglichkeit in der vertikalen Einschränkungen hatte und die Konstruktion aus Gewichtsgründen teilweise aus Aluminium gefertigt werden sollte. Dabei wurden zwei Konzepte entwickelt, welche die Anbringung vom Akkukasten lösen und die Verwendung von Aluminiumbauteilen ermöglichten.

Nach Beratung mit Prof. Heverhagen wurde das U-Profil ausgewählt.

Greifer

Der Schwerpunkt bei dieser Projektarbeit liegt bei der konstruktiven Entwicklung einer Greifmöglichkeit  für Rosentöpfe. Die Ideensammlung wurde hierbei durch folgende Randbedingungen eingeschränkt:

  •  Es ist darauf zu achten, möglichst keine Verbreiterung oder Verlängerung des aktuellen Roboteraufbaus vorzunehmen. Die Möglichkeit der Anbringung zusätzlicher Anbauten ist hierbei durch die bereits vorhandene Griffplatte stark eingeschränkt.
  • Es soll ein bepflanzter Blumentopf (Topf+ Rosenpflanze + Erde), Gesamtgewicht ca. 2-3 kg angehoben und transportiert werden können. Das bedeutet, dass die Greiferkonstruktion die nötige Stabilität unter Berücksichtigung des Gesamtgewichts vorweisen muss. Es ist darauf zu achten, dass vor allem beim Anhebevorgang eine Kippgefahr des Roboters aufgrund der zusätzlichen Last vermieden wird. Des Weiteren sollte der Blumentopf so angehoben und transportiert werden, dass der Roboter nicht von herausfallender Erde getroffen wird und es als Folge eventuell zu Beschädigungen kommen kann.
  • Eine Möglichkeit zur Höhen- und Breiteneinstellung der Greiferkonstruktion muss gegeben sein.  Eine Konstruktive Lösung ist hierbei durch die Abmessungen des Roboters eingeschränkt. Es ist auf eine ausreichende Bodenfreiheit zu achten. Außerdem ist durch die zusätzliche Laseranbringung die Bewegungsmöglichkeit des Greifers bezüglich des Anhebens und Absenkens des Blumentopfes eingeschränkt.

Unter Berücksichtigung dieser Randbedingungen wurden jeweils zwei Konzepte mit und ohne Verwendung der Pan-Tilt-Einheit ausgearbeitet.

Greiferkonzept mit PTU

Konzept 1: Pan-Tilt-Einheit + Linearantrieb:

Vorteile:                                                                                      

  •  Nur ein Linearantrieb → geringe Kosten
  • Geringer Aufwand → Pan-Tilt-Einheit muss nicht abgebaut werden
  • Langer Hub

Nachteile:

  • Großer Hebelarm
  • Kein Greifmechanismus → genau anfahren/Kippgefahr
  • Rutschgefahr des Blumentopfes beim Schwenken → zusätzlicher Schutz vor herabfallender Erde notwendig
  • Hohes Gewicht aufgrund Verwendung der Pan-Tilt-Einheit

Konzept 2: Pan-Tilt-Einheit + Gelenk

Vorteile:

  • Keine zusätzlichen Antriebe für Greifermechanismus → geringe Kosten
  • Geringer Aufwand → Pan-Tilt-Einheit muss nicht abgebaut werden
  • Blumentopf bleibt durch Gelenk immer in horizontaler Lage → geringe bis keine Kipp-/Rutschgefahr

Nachteile:

  •  Langer Hub
  • Großer Hebelarm
  • Kein Greifmechanismus → genau anfahren
  • Hohes Gewicht aufgrund Verwendung der Pan-Tilt-Einheit

Greiferkonzepte ohne PTU

Konzept 3: Linearantrieb

Vorteile:

  • Nur ein Linearantrieb → geringe Kosten
  • Weniger Gewicht auf Trägerplatte
  • Keine Kipp-/Rutschgefahr, da ohne Pan-Tilt

Nachteile:

  •  kein sicherer Griff →geringe Auflagefläche
  •  größerer Hub

Konzept 4: 2 Linearantriebe; Prallel-/Winkelgreifer

Vorteile:

  • sicherer Griff durch Greifmechanismus → 2-3 Auflagepunkte
  • geringerer Hub
  • kleinerer Hebelarm

Nachteile:

  • 2 Antriebe → höhere Kosten
  • höheres Gewicht

Nach der Vorstellung der einzelnen Greiferkonzepte wurden auf Wunsch von Herrn Heverhagen nur die Konzepte weiterverfolgt, die den aktuellen Aufbau mit Pan-Tilt-Einheit vorsehen. Aufgrund dieser Festlegung wurden zu den zwei bestehenden Konzepten, zwei weitere Konzepte ausgearbeitet (Konzept 5: Greiferbacke und Konzept 6: Motor mit Verdrehscheibe). Im Anschluss darauf, wurden Konzept 2, Konzept 5 und Konzept 6 zusätzlich in Catia V5 auskonstruiert.

Konzept 5: Pan-Tilt-Einheit + Greifbacke

Vorteile:

  •  keine zusätzlichen Antriebe für Greifermechanismus → geringe Kosten
  • Geringer Aufwand → Pan-Tilt-Einheit muss nicht abgebaut werden
  • Blumentopf bleibt durch drehbar gelagerte Greifbacke in horizontaler Lage → reduzierte Kippgefahr

Nachteile:

  • Blumentopf muss sehr genau angefahren werden, damit Greifbacke richtig an Topf angreift → kein Greifmechanismus
  • Herstellung aufwendig → Kosten
  • hohes Gewicht aufgrund Verwendung der Pan-Tilt-Einheit
  • nicht anpassbar an verschiedene Blumentopfdurchmesser

Konzept 6: Pan-Tilt-Einheit + Motor mit Verdrehscheibe

Vorteile:

  • sicherer Griff durch Greifmechanismus → 2-3 Auflagepunkte
  • Geringer Aufwand → Pan-Tilt-Einheit muss nicht abgebaut werden
  • Blumentopf bleibt durch drehbar gelagerte Greifarme in horizontaler Lage → reduzierte Kippgefahr
  • Anpassung an Blumentopfdurchmesser möglich

Nachteile:

  •  zusätzlicher Antrieb für Greifermechanismus

→ höhere Kosten

→Motor muss sehr genau angesteuert werden

→höherer softwaretechnischer Aufwand

  • höheres Gewicht
  • Verkabelung problematisch, da sich Motor immer mitbewegt

Konzeptbewertung und Entscheidungsfindung:

 

Um eine qualitative Aussage darüber zu machen, in wie weit die erarbeiteten Konzepte die gestellten Anforderungen erfüllen, haben wir zunächst Kriterien aufgestellt. Diese werden in ein einer Matrix gegenübergestellt und auf ihre Wichtigkeit hin verglichen (siehe Anhang). Mit Hilfe der vorgenommenen Kriteriengewichtung kann die Bewertung der Lösungskonzepte erfolgen. Die Auswertung ergab hierbei, dass Konzept2: Pan-Tilt +Gelenk mit 75,45% den höchsten Erfüllungsgrad aller verglichenen Lösungskonzepte besitzt (siehe Anhang). Dieses Lösungskonzept wurde zudem auch schon vorab von Herrn Heverhagen in einer Rapid Prototyping Version, bestehend aus Elementen aus einem Metallbaukasten, angefertigt, um die Anfahrsituation an den Blumentopf zu simulieren und dabei wichtige Erkenntnisse für den weiteren Entwicklungsprozess von Soft- und Hardware zu sammeln.

Greiferkonzept mit Seilzug

Die Aufgabe bestand darin einen 2. Greifer zu konstruieren der der als Ersatzgreifer dienen soll, falls der 1. Greifer ausgetauscht werden muss. Der Greifer sollte so konstruiert werden dass er, unabhängig vom Gewicht des Blumentopfes, beim anheben nicht nach vorne kippt. Nachdem der Blumentopf hochgehoben wurde, sollte der Greifer den Blumentopf am höchsten Punkt in der Waagrechten halten um Ihn beim Fahren stabil zu halten und vor dem Kippen zu schützen.

Ausgangslage

Als Grundlage für den Greifer diente ein Prototyp den Hr. Heverhagen schon konstuiert hatte. Der Greifer mit den Materialien angefertigt die in dem Baukasten im Labor zur Verfügung standen. Dadurch wurde eine leichte Konstruktion des Greifers möglich und es wurden keine zusätzlichen Materialien benötigt. Das hat den Vorteil dass das zusätzliche Gewicht des Greifers für den Motor der Pantilteinheit keine größere Belastung darstellt.  Das Grundprinzip von Hr. Heverhagens Konstruktion wurde beibehalten, jedoch wurde die Winkelveränderung und die damit verbundene Änderung der Seillänge, beim Anheben und Ablassen des Blumentopfes, verändert.

Realisierung

Als erstes wurde die Breite des Greifers den offiziellen Blumentöpfen angepasst und schließend mit Hilfe von Panzertape eine Oberfläche gebildet die eine größere Haftung erzeugt und damit den Blumentopf zusätzlich beim An-und Abheben stabilisiert.

Anschließend wurde mit der Hilfe von einem Paketband die Seiländerung  beim An-und Abheben des Blumentopfes realisiert. Zuerst wurde der Schwerpunkt der „Gabel“ so gesetzt das Sie nach hinten Kippt, was wiederum durch die Paketschnur aufgehalten wird. Dadurch steht die Gabel, beim Anfahren des Blumentopfes, senkrecht zum Gestell des Greifers. Beim Anheben des Blumentopfes verändert sich nun der Schwerpunkt so dass die Gabel nach vorne kippt und der Blumentopf droht nach vorne herunterzufallen. Dem wurde entgegengewirkt indem die Seillänge verkürzt wird und den Blumentopf damit beim Anheben in der Waagerechten hält.

Schutzabdeckung

Die Aufgabe besteht darin ein Schutzgehäuse zu konstruieren und danach zu fertigen. Dieses soll die Steuerung und Elektrik im Grundgehäuse des Roboters vor Regen und Witterung schützen. Gleichzeitig soll es einfach und schnell aufsetzbar sein und dabei eine wasserdichte Öffnung für den NOT-Ausschalter beinhalten.

Zuerst ermittelten wir die Auflagepunkte der Schutzabdeckung, da uns hier nicht viele Möglichkeiten zur Verfügung standen einigten wir uns schnell auf ein Grundgerüst. Dieses sollte seitlich zu den Griffen und auf der Vorderseite aufliegen (3-Punktauflage).

Draufsicht auf das Grundgehäuse, welches geschützt werden soll.

Da diese Auflagepunkte genau an unserm Grundgehäuse anliegen, kann keine Verschiebung der Schutzabdeckung in horizontaler Richtung passieren. Außerdem unterstützt dies auch die Schutzabdeckung in dem sie an den Stellen die nicht als Auflage funktionieren unterhalb des Griffbleches eine Verschiebung verhindern. Somit läuft es geräuscharm und lässt sich problemlos über das Grundgehäuse streifen. Um das Grundgerüst der Schutzabdeckung stabil zu gestalten wählten wir zwei Alustangen die als Auflagen neben den Griffen das meiste Gewicht tragen und für eine gewisse Steifigkeit sorgen. Diese sollten an den Seitenflächen Ausfräsungen haben um beim Aufsetzen der Schutzabdeckung ein Kollidieren mit den Steuerknöpfen zu vermeiden.

Um das Grundgehäuse mit samt dem NOT- Ausschalter abzudecken überlegten wir uns einen Schutz aus Kunststoff zu konstruieren den wir an den Alustangen montieren wollten. Dieser soll über das gesamte Gehäuse wenig Platz einnehmen und leicht zu fertigen sein. Wir entschieden uns für eine transparente Lexanplatte (PC), die sich in die gewünschte Kontur kalt-umformen lässt und Schlagfest ist.

Biegekontur ist oberhalb des Grundgehäuses.

Um die Seiten der Schutzabdeckung wasserfest abzudichten, wählten wir eine Kunststofffolie, die wir entlang der Biegekontur und an den Alustangen mit Klebstoff befestigen. Damit stand unser Grundgerüst fest und wir mussten uns nur noch Gedanken über die Befestigung machen. Die Befestigung soll verhindern, dass sich die Schutzabdeckung bei Bewegungen des Roboters löst und dadurch ungewollte Freiräume zwischen Schutzabdeckung und Roboter entstehen, die einen Eintritt der Witterung und somit eine Beschädigung der Steuerung hervorrufen würden.

Im folgenden ist das CAD-Modell von der Schutzabdeckung zu sehen, ohne Befestigungskonzept:

Die folgenden Konzepte beschränken beziehen sich auf die Befestigung des Schutzmechanismuses an dem Roboter:

1. Konzept: Klippvariante

2. Konzept: Klammervariante

3. Konzept: Klettvariante

4. Konzept: Riegelvariante

Das 4. Konzept, die Riegelvariante, zur Befestigung der Schutzabdeckung ließ sich am einfachsten realisieren. Dazu benötigten wir einfache Schieberiegel, die wir an die Unterseite der Aluprofile schrauben. Somit können nach dem Aufsetzen der Schutzabdeckung die Riegel zu geschoben werden und unter dem Griffblech als Befestigung dienen. Durch zwei kleine Federbleche, die im Riegel integriert sind, wird die Schutzabdeckung bei der Verriegelung auf die Auflagepunkte gepresst und abgedichtet.

 

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