Innovationsprojekt 2011 ETH Zurich by Aaron Lelouvier, Kevin Najjar, Felix Renaut, Max Taillandier,...

Date: 05/2011

I 2011 Gruppe 7A

Aaron Lelouvier, Kevin Najjar, Felix Renaut, Maximillian Taillandier, Neil Montague

Bsc Mechanical Engineering ETH Zurich

nnovationsprojekt

Innovationsprojekt 2011 Gruppe 7A

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 4

2 Projektdefinition 6

Aufgabenstellung 6

Einschränkungen 6

Gewichtung der Anforderungen 9

Zeitplan 10

3 Funktionsgliederung 11

4 Lösungsfindung 13

Ideensammlung 13

Teillösungen 14

Bewertung der Teillösungen 19

Kombination der Teillösungen 22

Morphologischer Kasten 22

Gesamtlösungsvarianten 23

Bewertung der Gesamtlösungsvarianten 28

Inhaltsverzeichnis

5 Detaillierung der Gesamtlösung 28

Höhenberechnung 29

Schiebearm für Bälle 30

Schiebearm für Klötze 32

Grundgerüst 34

Laufband 35

Deponierärme 37

Funktionsmuster 38

Programmierung 38

6 Konkretisierung 42

Materialwahl 42

Materialbearbeitung 44

Vergleich CAD Modell/Roboter 45

7 Vorführung 46

8 Fazit 48

Dankesagung 49

Anhang 51

Einleitung

Einleitung

Teampresentation

Im Rahmen des Innovationsprojekts

2011 haben wir uns in ein fünfer Team

zusammengeschlossen um auf effizi-

enter Weise das Projekt erfolgreich

durchzuführen. Mitglieder des Teams

sind Aaron Lelouvier, Felix Renaut,

Kevin Najjar, Maximilian Taillandier

und Neil Montague. Der Grund dieser

Zusammensetzung ist nicht nur sprachlich günstig (da wir alle eine französisch-

sprachige Herkunft haben) sondern auch aus Effizienzgründen. In der Tat

katalysiert ein gutes Einvergehen zwischen uns ein kompromissfähiges Verhalten

und einen einfallsreichen Schöpfergeist.

Innovationsverfahren

Ziel dieses Berichts ist die Darstellung eines Innovationsprozesses anhand eines

Beispiels. Erster Schritt ist die Analyse der Aufgabe.

Wir gehen von einer Aufgabenstellung aus, bearbeiten die impliziten Anforder-

ungen und Einschränkungen um das Projekt klar zu definieren.

Zweiter Schritt ist die Aufteilung des Projektes in Teilaufgaben. Das Ziel hierbei

ist die Veranschaulichung der Gliederungsmöglichkeiten mittels einer Tabelle.

Die Lösungsfindung ist dadurch nicht global orientiert sondern fokusiert, das

heisst anstatt sofort ein kohärentes System als Lösung vorzuschlagen werden

einzelne Teillösungen erzwungen und kombiniert.

Durch dieses Verfahren wird eine Vielfalt von fähigen Systemen erstellt, was die

Möglichkeit einer Auswahl gibt. Die optimalsten Gesamtlösungen ergeben sich

nach Kombination der Teillösungen, die am besten die gewichteten Kriterien

erfüllen. Eine genauere Analyse der aussichtsvollsten Entwürfen ist

Einleitung

primordial zur letztendlichen Wahl des zu konstruierenden Konzepts. Es folgt die

Konkretisierung der Gesamtlösung, das heisst die Konstruktion, die Programma-

tion und das Testen des Systems bevor es die Aufgabe erfolgreich ausführt.

Genau diese Vorgehensweise haben wir versucht, im Zeitintervall das

uns für die Ausführung des Projektes gegeben wurde, nachzuahmen.

Projektdefinition

Projektdefinition

Aufgabenstellung A

Die Aufgabe ist folgendermassen gestellt: man solle möglichst schnell 9

Holzwürfel und 9 Tischtennisbälle in einer quadratischen beziehungsweise in

einer runden Öffnung versenken. Um diese Aufgabe problemlos zu erfüllen,

werden uns technische Materialien und eine Werkstatt zu Verfügung gestellt.

Die Programmierung erfolgt mittels Labview, das uns ermöglicht Lego-

Mindstorms Sensoren und Motoren komputerisch oder fernbedient zu steuern.

Einschränkungen

Natürlich werden uns Grenzen gesetzt, oder sozusagen Einschränkungen und

Anforderungen. Diese Einschränkungen können wir in drei Kategorien

zusammenfassen:

die Geometrischen Anforderungen,

die zeitliche Einschränkung

die „Interaktion“-Einschränkung.

Unser Arbeitsfeld wird 59cm breit und 1.2m lang und unser Roboter muss sich

am Anfang in einer 40*40cm Startzone befinden. Auβerdem darf die maximale

autorisierte Höhe (50cm) nicht überschritten werden. Die Tischtennisbälle haben

einen Durchmesser von 40mm und die Klötze haben eine Seitenlänge von 40mm.

Zu der zeitlichen Einschränkung kann man sagen, dass unser Roboter

möglichst schnell seine Aufgabe durchführen muss. Tatsächlich, müssen

Abb. 1: Schema zur Aufgabenstellung

Projektdefinition

innerhalb von drei Minuten alle Bälle und Klötze versenkt werden.

Sonst werden uns 4 Minuten zur Installation und Desinstallation des Systems zu

Verfügung gestellt. Die Freiheit der Interaktion Mensch-System ist begrenzt, der

Bediener darf nicht auf das System eine wirksame Kraft (keine starre oder

biegeschlaffe Verbindungen mit Kraft oder Moment) ausüben. Es darf nur ein

Bediener das System steuern, und das Arbeitsfeld muss am Ende unverändert

bleiben (kein Eindringen). Zur Veranschaulichung der Einschränkungen ist die

folgende Tabelle und die Arbeitszone des Systems nützlich:

Geometrische Anforderungen

Arbeitsfeld 590*1200mm

Startzone 400*400*500mm

Bälle Ø40mm

Klötze 40*40*40mm

Zeitliche Einschränkungen

Installation System 2min

Erfüllung Aufgabe 3min

Desinstallation System 2min

Interaktion Einschränkungen

Bediener-System Nicht direkt

Bediener-Arbeitsfeld Kein Eindringen

System – Strom Erlaubt

System – Arbeitsfeld Keine Veränderung des Arbeitsfeld

System - Trennwand Kein Berühren/kein Überschreiten

Die Anforderungsliste bedingt eine minutieuse Analyse der Aufgabenstellung

und der Bedingungen die uns gestellt werden. Unsere Anforderungsliste ist in

Gruppen aufgeteilt: die technische Funktionalität, die Durchführung und die

Herstellung des Produktes.

Abb. 2: Tabelle der Einschränkungen

Projektdefinition

Die Durchführung bestimmt die Art der Bedienung des Systems. Es sollte möglichst

auf sehr präziser Art seine Arbeit ausführen. Es wird auch viel Wert auf die

Aufbauzeit und die Demontage des Systems gelegt (gute Transportfähigkeit). Ein

wichtiger Punkt ist dabei, dass das System die definierte Startzone zu Beginn nicht

überschreiten darf.

Für die technische Funktionalität ist die Schnelligkeit des Roboters sehr wichtig.

Unsere Note hängt stark davon ab, wie schnell das System seine Arbeit ausführt.

Deswegen hat dieser Punkt eine zentrale Bedeutung. Ein grosser Vorteil wäre, viele

Bälle und Klötze auf einmal transportieren zu können. Ein weiterer Punkt ist die

Autonomie des Systems. Es sollte so gut wie möglich selbstständig arbeiten können.

Daher ist die Programmierung des Roboters auch sehr wichtig.

Arbeitszone des Systems

Abb. 3: Arbeitsfeld

Gewichtung der Anforderungen

Bei der Herstellung und Fertigung sollte unser Projekt so wenig wie möglich

Zeit- und Kostenaufwändig sein. Die Kostenanforderungen unseres Projekts sind

nicht von grosser Bedeutung da uns die ETH fast alles zu Verfügung stellt (Legos,

Werkstatt..). Legos erweisen sich als sehr gutes Material um zu experimentieren

(rapide Montage/Demontage) da unser Roboter mehrmals getestet und

verbessert werden muss.

Gewichtung der Anforderungen

Zur Gewichtung unserer Anforderungsliste haben wir das Gesamtziel in

verschiedene Punkte eingeteilt. Die Gewichtung dient dazu, den Wichtigkeits-

grad der einzelnen Teilen übersichtlich zu gestalten.Wir haben zum Beispiel viel

Wert auf die technische Funktionalität gelegt, da uns dieser Punkt am

wichtigsten erscheint. Das Ziel ist es ein funktionsfähiges System zu präsentieren,

deswegen ist die Erfolgschance am höchsten gewertet.

Die erste Zahl entspricht der Gewichtung innerhalb der Obergruppe in

Prozentsatz, die zweite Zahl dem Anteil der Anforderung am Gesamtziel.

Abb. 4: Schema zur Gewichtung der Anforderungen

Zeitplan

Zeitplan

Jedes Projekt braucht eine klar definierte Zeiteinschränkung. Zeiteinschränkung

bedeutet Fristen, die einzuhalten sind und deshalb auch ein minimum an „time

management skills“ und Organisation in der Planung des Projekts. Wir haben zu

Beginn des Projektes ein Zeitplan aufgestellt der auf provisorische Weise zeitliche

Ziele setzt. Die Grundlage unserer Einplanung sind die Präsentationen. Man kann

sie als Meilensteine bezeichnen da sie das Projekt in regulären Intervallen

aufteilen und eine Übersicht auf das Projekt ermitteln.

Unser Zeitplan wurde in 6 Hauptbeschäftigungsgruppen unterteilt:

Konzepte- Lösungs- und Entwurfsfindung: Hier geht es vor allem um das

kreative Denken. Skizzen sind primitiv und dienen nur der Übermittlung einer

Idee.

Zeichnungen: Hier wird detailliert und sauber auf die Gesamtlösung eingegangen.

Messungen werden eingeführt und überprüft.

Arbeiten am CAD: Die Gesamtlösung wird anhand NX komputerisch dargestellt.

Das Ziel hierbei ist die Kombination aller Zeichnungen um die Konstruktion

vorzubereiten.

Konstruktion: Diese Phase beinhaltet die Auswahl der Materialen und ihre

Bearbeitung um das System physikalisch zu fertigen.

Programmierung : Mit Labview werden die Motoren und Servomotoren

programmiert und dem System angepasst.

Versuche und Modifikationen. Das System wird mehrmals getestet. Die

Schwächen werden analysiert und korrigiert.

Die Verantwortung für die verschiedenen Kategorien übernehmen

meistens zweier Teams damit auf paralleler Weise mehrere Aspekte gefertigt

werden können. Der folgende Zeitplan wurde in der ersten Woche des Projekts

entworfen und war deswegen idealisiert und vor allem provisorisch. Im Endeffekt

hat sich der ganze Plan von einer Woche verschoben und das System war am

21.05 betriebsbereit.

Zeitplan

Ab

b.

5:

Ze

itp

lan

Te

am

7A

Funktionsgliederung

Funktionsgliederung

Mit der Aufgabenstellung und der Anforderungsliste konnten wir schnell eine

Funktionsgliederung erarbeiten. Die Funktionsgliederung beschreibt den Ablauf

der Aktionen des Systems damit es die Aufgabe erfüllt. Wichtig ist hierbei alle

relevanten Funktionen zu erkennen und sie „neutral“ beschreiben.

Tatsächlich sind diese Teillösungen momentan nicht klar detailliert, sie sind grob

und stellen die Basis für die zu kommende Reflexion über mögliche Teillösungen.

Um die Übersicht zu behalten haben wir das System in zwei getrennt da es zwei

Hauptfunktionen erfüllen soll: das Versenken der Bälle einerseits, und das

Versenken der Klötze andererseits. Sie bilden zwei Lösungswege. Jede dieser

Hauptfunktion unterteilt sich in 5 Teilfunktionen. Hier unten findet man die

einzelnen Teilfunktionen wieder.

Abb. 6: Muster der Funktionsgliederung

Anhang

Ideensammlung

Nachdem wir unser Projekt richtig definiert haben, beginnen wir mit der Ideen-

sammlung in der Form eines Brainstormings und Brainwriting. Hier spielt die

Kreativität und Erfindungsgabe eine wichtige Rolle. Jeder Teammitglied denkt

sich eine Lösungsidee für jede Teilfunktion aus und argumentiert inwiefern seine

Lösungen die Besten sind. Die Ideen werden im Team besprochen, erweitert für

manche, entfernt für andere. Der Prozess nimmt viel Zeit in Anspruch, ist aber

entscheidend für die spätere Entwickelung des Systems.

Nach mehreren Diskutionen werden die 4-5 bestmöglichen Lösungsvarianten für

jede Teilfunktion ausgesucht.

Diese werden nun einzeln skizziert um ein globaleres Blickfeld zu verschaffen

und um mögliche Problemquellen zu identifizieren.

Lösungsfindung

Beispiel: Teillösungvariante zum Aufnehmen der Bälle.

Lösungsfindung

Teillösungen

Es entstehen also Skizzen, die verschiedene Varianten zum Lösen einer Teilfunk-

tion darstellen. Wir werden hier chronologisch vorgehen.

Teilfunktion 1: Das Fahren bis zu den Klötzen A) Auf Räder fahren Der Roboter fährt auf Rädern bis zu den Kugeln oder

Klötze. Die Räder können auch gelenkig sein, damit

der Roboter drehen kann.

B) Ausdehnbare Arme Ärme dehnen sich von der Startzone aus bis zu den Bällen, Klötze (Distanz min. 400mm) anhand von Rollen. C) Ausklappbare Arme Ärme werden vom Roboter, der sich in der Startzone befindet, ausgeklappt. Diese können z.B. durch Seile sich langsam ausklappen. D) Gleise Das Prinzip ist hier das Gleiche wie beim Rollen, nur wird der Roboter mit Gleisen zu den Bällen/Klötzen geführt.

Anhang

Teilfunktion 2: Bälle und Klötze aufnehmen A) Schiebearm Ein Schiebearm schiebt die Bälle oder Klötze in den

Behältern. Bei den Bällen können anhand eines

Trichters alle Bälle auf einmal aufgenommen

werden, bei den Klötzen je 3 (Trichter für Klötze

unpraktisch).

B) Greifarm Ein Greifarm nimmt die Bälle oder Klötze einzeln auf und stellt sie in einen Behälter. Die Form des Greifarms muss jeweils unterschiedlich sein für die Bälle und für die Klötze. C) Schaufel Mittels einer Schaufel werden die Bälle oder Klötze hochgehoben und in einem Behälter abgelegt. D) Klemme (nur für Klötze) Alle Klötze werden auf einmal zusammengepresst, eingeklemmet und hochgehoben. Es können als Variante auch nur 3 Klötze auf einmal zusammengehoben werden. E) Saugen (nur für Bälle) Wie bei einem Staubsauger wird ein Ball nach dem

anderen anhand eines Vakuumssaugers aufgesaugt.

Diese Lösung ist bei den Klötzen wegen deren

Gewicht unmöglich.

Lösungsfindung

Teilfunktion 3: Bälle und Klötze transportieren A) Laufband Dank eines Laufbands werden die Bälle oder Klötze

bis zur Öffnung transportiert.

B) Rollen/Gleiten Die Bälle oder Klötze rollen oder Gleiten von einer gewissen Höhe aus direkt bis zur jeweiligen Öffnung. Vorteilhaft dabei ist vor allem, dass kein Motor gebraucht wird C) Schieben Die Bälle oder Klötze werden einfach anhand eines Schiebers durch das Feld bis zur nächsten Öffnung geschoben. D) Fahren Der Roboter fährt auf Rädern bis zum jeweiligen Loch.

Die Räder können auch gelenkig sein, damit der

Roboter drehen kann.

E) Werfen (nur für Bälle) Die Bälle werden anhand einer Art Katapult bis zum

Loch geworfen, wo sie z.B. anhand eines Trichters

aufgenommen und gleich versenkt werden.

Anhang

Teilfunktion 4: Bälle und Klötze positionieren und versenken A) Hebelarm Durch Kippen eines Hebelarms rollen oder gleiten

die Bälle und Klötze in die Öffnung.

B) Aufzug Die Bälle und Klötze werden auf der richtigen Höhe hochgehoben und z.B. durch Kippen in die Öffnung versenkt. C) Greifarm Ein Greifarm greift die Bälle und Klötze aus dem Behälter auf, hebt sie hoch und lässt sie über der jeweiligen Öffnung fallen. D) Laufband Bei dieser Teillösung werden die Bälle und Klötze von einem Laufband direkt bis zur Öffnung transportiert und in die Öffnung versenkt. E) Trichter (nur für Bälle) Ein Trichter positioniert die Bälle, damit diese perfekt

in die Öffnung versenkt werden.

Anhand einer Tabelle (morphologischer Kasten) werden alle Teillösungen reka-

pituliert damit sie für jeden Teammitglied und auch während den Präsentationen

verständlich werden.

Lösungsfindung

Ab

b.

7:

Mo

rph

olo

gis

ch

er

Ka

ste

n

Anhang

Bewertung der Teillösungen

Für jede Teilfunktion haben wir mindestens 4 Teillösungen gefunden. Aus dieser

Vielfalt von möglichen Gesamtlösungen muss am Ende eine klare Wahl getroffen

werden. Deswegen ist es sinnvoll diese Teillösungen einzeln zu bewerten um die

bestmögliche Kombination der Teillösungen zu erhalten. Für die Bewertung sind

wir analytisch vorgegangen: wir haben wir uns treffende Kriterien ausgesucht, wie

z.B. die Einfachheit, die Machbarkeit, die Erfolgschance, die Schnelligkeit, usw

und haben eine Gewichtung für jeden dieser Kriterien aufgestellt, sodass deren

Summe 100% ergibt. Die Gewichtung wurde so aufgeteilt, dass die wichtigsten

Kriterien auf trivialer Weise eine höhere Gewichtung haben. Uns erscheint die

Einfachheit/Machbarkeit des Systems am wichtigsten, denn ein optimales System

was aber nicht baubar ist, hat keinen wirklichen Nutzen: deshalb bekam dieses

Kriterium eine Gewichtungsnote von 0,3.

Jede Teillösung wird dann bezüglich den verschiedenen Kriterien bewertet (von 1

bis 6); 6 falls das Kriterium perfekt erfüllt ist und 1 falls das Kriterium in keiner

Ansicht erfüllt ist. Am Ende wird nach der Gewichtung der Kriterien eine

Endnote gegeben, und die Teillösungen werden nach Ranking gelistet. Für die

Teilfunktion 1 zum Beispiel hat die Teillösung „Arme ausklappen“ die besten

Noten bekommen, weil sie einfach und realisierbar ist.

In den folgenden 2 Seiten ist die Bewertung jeder Teillösung pro Teilfunktion

ersichtlich.

Lösungsfindung

Abb. 8: Tabelle zur Bewertung der Teillösungen für die Teilfunktion 1


Anhang



Lösungsfindung

Morphologische Kasten/Verträglichkeitsmatrix

Die verschiedenen Teillösungen werden in einem morphologischen Kasten

zusammengestellt. In der Tabelle sind die Lösungsvarianten jeder Teilfunktion

ersichtlich, was uns dank der Übersichtlichkeit für die Wahl der besten

Gesamtlösungen sehr geholfen hat. Der morphologische Kasten ist auf Seite 17 zu

sehen. Das Kombinieren der Teillösungen kann für zwei aufeinanderfolgende

Teilfunktionen zu absurden oder inkompatiblen Kombinationen führen. Die

Teillösung „Werfen“ kann zum Beispiel nicht mit der Teillösung „Laufband“

kombiniert werden. Deshalb haben wir eine Verträglichkeitsmatrix erstellt, wo

die unmöglichen (rote Kästchen), inkompatiblen (gelbe Kästchen) und

kompatiblen(grüne Kästchen) Kombinationen ersichtlich werden. Diese

notwendige Methode dient zur Kontrolle und begrenzt ein wenig die Anzahl

Möglichkeiten.

Kombination der Teillösungen

Abb. 12: Muster der Funktionsgliederung

Anhang

Die Bewertungstabellen (Seite 19f) ermöglichen den Ranking der Teillösungen. Die

Verträglichkeitsmatrix informiert uns über die Kompatibilität der Teillösungen.

Das Zusammensetzen beider Vorgänge ergibt uns die bestmöglichen

Gesamtlösungs-varianten, die anhand von farbigen Wegen im morphologischen

Kasten zu sehen sind. In unserem Fall haben wir für es sinnvoll gehalten uns nur

für die 3 ersten Gesamtlösungsvarianten zu interessieren.

Gesamtlösungsvarianten

Abb. 13: Morphologischer Kasten mit Gesamtlösungsvarianten:

-Rank 1: Grüner Weg

-Rank 2: Blauer Weg

-Rank 3: Oranger Weg

Lösungsfindung

Gesamtlösung 1 (Orange)

Unsere erste Gesamtlösungsvariante ist ein mobiler Roboter, der sich also dank

einer Fernbedienung überall im Spielfeld bewegen kann und der einen Greifarm

besitzt. Das System bewegt sich von der Startzone her bis zu den Bällen/Klötze,

nimmt mit dem Greifarm diese auf und deponiert sie in zwei separate Kasten, die

seine Grundstruktur bilden. Nach der Aufnahme der Bälle und Klötze fährt er zu

den Versenkungen hin und deponiert sie indem sich die Grundbasis nach vorne

kippt und die Ladung einfach in die Öffnung rollt/rutscht.

Zu dieser Lösungsvariante haben wir Vor- und Nachteile aufgestellt:

Vorteile:

+ Flexibles hin- und zurückfahren,

grosse Kontrollmöglichkeit

+ Einfache Programmierung da mit nur

einem Joystick bedienbar

+ Materialien einfach zu finden (viel

Lego)

Nachteile:

– Greifarm ungenau, erfordert viel

Übung (vor allem zum Greifen der

Bälle)

– Konstruktion des Greifarms schwierig (muss zugleich Bälle und Klötze

aufnehmen können)

– Gleiten der Klötze beim Kippen der Behälter kompliziert

– Sehr langsamer Prozess, da Bälle und Klötze einzeln aufgenommen werden

müssen.

Abb. 14: Gesamtlösungsvariante 1

Anhang

Gesamtlösung 2 (Grün)

Unsere zweite Lösungsvariante besteht aus zwei ausklappbare Arme, die die Bälle

und Klötze direkt mit einem Schiebearm aufnehmen. Dann klappen sich die

Schiebearme wieder zu, die Bälle werden mittels eines Rollsystems zu den

Versenkungen gebracht und die Klötze werden zuerst auf einem Laufband

deponiert, damit sie eine gewisse Höhe erreichen, um das Gleiten bis zu den

Versenkungen zu ermöglichen. Hier haben wir auch Vor- und Nachteile

aufgelistet:

Vorteile:

+ Schnell

+ Materialien einfach

zu finden (Lego, Holz,

Karton, Gummi)

+ Bedienung recht

einfach —> Prozess

automatisierbar

Nachteile:

– Konstruktion relativ schwierig

– Dimensionen : Arme müssen hochgeklappt werden und nicht zu hoch sein.


Lösungsfindung

Gesamtlösung 3 (Blau)

Unsere letzte Lösungsvariante ist auch ein mobiler Roboter der aber die Bälle und

die Klötze zugleich mit zwei Schiebeärme aufnimmt. Nach der Aufnahme fährt

das System zu den Versenkungen hin und deponiert die Bälle/Klötze in den

Versenkungen mit Hilfe eines Hebelarms der das Gerüst wie bei der

Gesamtlösung nach vorne kippt.

Vorteile:

+ relativ schnell

+ Rampe mit Schiebearm recht einfach

zu bauen und zuverlässig

+ Materialien einfach zu finden (Lego,

Holz, Karton, Gummi)

Nachteile:

– Gleiten der Klötze beim Kippen der

Behälter kompliziert

– Konstruktion relativ schwierig

– Grösse


Anhang

Bewertung der Gesamtlösungsvarianten

Um die bestmögliche Lösung zu haben, mussten wir jede Variante ausarbeiten und

bewerten. Jede Gesamtlösung besteht aus Teillösungen, die früher benotet wurden.

Hier ein Überblick der betreffenden Teillösungen:

Gesamtlösung 1:

„Auf Räder fahren“ (4.625) > „Greifarm“(2.575) > „Auf Räder fahren“(4.5)

>“Hebelarm/Kippen“(3.8) Gewichtete Note: 3.875

Gesamtlösung 2:

„Ausklappbare Arme“(4.775) > „Schiebearm“(4.4/4.975)> „Gleiten/

Rollen“(4.7/5.875)> „Hebelarm/Kippen“(3.8)

Gewichtete Note: 4.63

Gesamtlösung 3:

„Auf Räder fahren“(4.625)> „Schiebearm“(4.4/4.975)> „Auf Räder fahren“(4.5)>

„Hebelarm/Kippen“(3.8)

Gewichtete Note: 4.40

Die gewichtete Note der Gesamtlösungen ergibt sich aus der Durchnittsnote der 4

Teillösungsnoten. Die Bewertung der Gesamtlösungen zeigt, dass die Variante 2

besser geeignet für das Lösen dieser Aufgabe ist. Bei der Bewertung wurde viel

Wert auf die Einfachheit und die Machbarkeit gelegt, deshalb hat zum Beispiel die

erste Variante so schlecht durchgeschnitten. Der kleine Notenabstand zwischen

den zwei letzten Varianten zeigt uns, dass es auch nicht unmöglich wäre mit der

dritten Lösung diese Aufgabe zu realisieren. Der Notenunterschied ist wegen der

höheren Anzahl Motoren entstanden die das System 3 benötigt. Ausserdem ist

diese Variante auch schwieriger zu programmieren da man das Steuern durch

Joystick implementieren muss. Wir haben uns also ohne Bestreitung für die zweite

Lösungsvariante entschieden.

Detaillierung der Gesamtlösung

EInleitung

Ausgangspunkt der Detaillierung der Gesamtlösung ist die Hauptskizze (S. 24).

Sie gilt nicht nur als Modell für den zu vertiefenden Konzept sondern auch zur

Veranschaulichung der gewählten Variante bei den Präsentationen. Die Detaillie-

rung gliedert sich in 7 Teilen:

-Höhenberechnung

-Detaillierung des Schiebearms für Bälle

-Detaillierung des Schiebearms für Klötze

-Detaillierung des Grundgerüsts

-Detaillierung der Deponierärme

-Funktionsmuster

-Detaillierung der Programmierung



Höhenberechnung

Die erste Frage bei der Detaillierung der Gesamtlösung war, ob die Klötze direkt bis

zur Öffnung gleiten konnten, oder ob ein Laufband nötig war, um sie bis dorthin zu

transportieren. Das Problem bestand also darin, was wir unter Beachtung der

Höhenbegrenzung von 500mm für ein maximales Gefälle α erreichen konnten, und

ob die Klötze darauf gleiten konnten. Wir haben dabei angenommen, dass das

Gefälle überall konstant bleibt (siehe Abbildung unten) und haben für die Startzone

eine Toleranz von 10mm einbegriffen (die der Breite der Hochgeklappten Arme

entspricht, da sie sonst sogar hochgeklappt aus der Startzone hinausragen).

Man bekommt folgende Gleichungen :

8.16640

9.193arctan

640

9.193

)10400(250

20)tan(:

1.2861000

286100

9.213500

0361001000500

500

190500

500

10180

500

1

1

11

1

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11

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1

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1

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2

1

22

1

11

h

Also

mmL

Lh

L

Lh

LL

Lh

Lh

Lh Das Testen hat jedoch gezeigt,

dass bei einem Gefälle von 16.8°

das Gleiten der Klötze un-

möglich ist. Als Lösung zu

diesem Problem haben wir uns

etwas anderes überlegt: ein

Laufbandsystem in der Mitte

damit ein grösseres Gefälle

erzeugt werden kann.(S.34)

Abb. 17: Schema zur Höhenberechnung


Schiebearm für Bälle

Unser Arm zum Aufnehmen der Bälle besteht aus drei Hauptstrukturen: die

Holzstruktur (Trichterform), die K’nex Struktur (eine Art Lego) und das

Schiebegitter mit dem Hebel. Zunächst wird über die Konstruktion und über die

Funktion der Einzelteile gesprochen. Zuerst haben wir uns vorgestellt, dass die

Grundstruktur des Arms aus Holz hergestellt werden müsste, weil man sie leicht

an einem Gelenkstück festmachen kann. Dann haben wir uns entschieden eine

Trichterförmige Struktur zu bauen, um das Stopfen der Bälle zu vermeiden.

Die Seiten der Holzplatte werden auch aus Holz hergestellt und sind ungefähr 1.5

Mal so hoch wie der Durchmesser eines Balls

(1.5*40=60mm hoch). Die Bälle, die in einer 14mm

Ausfräsung liegen, und die Struktur selber, werden

stark beansprucht: Falls es zu einer Überlagerung der

Bälle in der Holzstruktur kommt, werden Dank der

Höhe der Seiten keine Bälle verloren gehen.

Nachdem wir diese Holzstruktur fertig gebaut

haben, haben wir sie mit Hilfe eines Gelenkstückes

an der Grundplatte festgeschraubt. Somit können

wir die richtige Position und die gesuchte Länge für

die K’nexstruktur finden.

Ab diesem Zeitpunkt können wir genau

sehen, ob unser CAD Modell für den Arm

mit dem richtigen übereinstimmt und da

dies der Fall ist, mussten wir nur noch die

guten K‘nex Teile finden und uns an die

Arbeit machen. Der Vorteil eine

Legostruktur zu benutzen ist offenbar ihre

Leichtigkeit und Einfachheit. Tatsächlich, K’nexteile sind umformbar und leicht

zu demontieren. Diese Eigenschaften haben wir benutzt, um viele Prototypen zu

machen, damit gesehen werden kann was gut und schlecht geht.

Abb.18: Schema Schiebearm Bälle


Die zwei letzten Teile, die zum Arm gehören sind das Schiebegitter und der

Hebel, der das Schiebegitter am Anfang hält. Das Schiebegitter wurde auch aus

Legoteile hergestellt und wird mit einem Seil entlang der K’nexstruktur gezogen.

Da das Gitter mit der Motorkraft ziemlich beansprucht wird, haben wir es mit

richtige Legoteile befestigt.

Und hier spielt der Hebel eine ziemlich

groβe Rolle, weil er dazu dient, dass das

Schiebegitter in seiner anfänglichen

Position bleibt. Der Seil wurde am

unterem Teil des Schiebegitters befestigt

und hat die Tendenz, beim Ausklappen

des Arms, dass es nach vorne gezogen

wird. Nicht alle Bälle werden dann nach

oben geschoben. Deshalb mussten wir etwas entwickeln, was das Schiebegitter in

seiner Anfangsposition behält. Einige Lösungen wurden vorgeschlagen aber der

Seitenhebel wurde als beste Lösung angenommen. Hier geht es darum auf der

Seite der K’nexstruktur ein Legostück zu befestigen, was in der Luft das

Schiebegitter und die Gesamtstruktur zusammenhält. Wenn der Arm ausgeklappt

wird und den Boden erreicht hebt sich dieses Legostück und das Schiebegitter

kann ohnen Probleme gezogen werden.

Nach dem Bau der zwei Hauptstrukturen mussten wir sie zusammenfügen. Wir

haben uns für feste Klebe entschieden und daraus ergab sich eine erstaunlich

feste Struktur.

Abb.19: Hebel des Schiebearms für Bälle

Abb. 20: Schiebearm für die Bälle


Schiebearm für die Klötze

Das System zur Aufnahme der Klötze ist nach dem gleichem Prinzip wie das der

Bälle gebildet, unterscheidet sich jedoch in manchen Aspekten weil die Klötze nich

so mobil sind. Das zentrale Problem war, dass sich die Klötze im Trichter gegensei-

tig störten und deshalb kein Gleiten zu stande kommen konnte.

Um diese Störung zu beheben haben wir uns erstens dafür entschieden das Gerüst

zur Aufnahme aus Aluminium zu bauen, da dieses einen kleinen Reibungskoeffi-

zient vorweist und somit die Beweglichkeit der Klötze nicht einschränkt (siehe

Materialwahl Seite 42f). Ausserdem

haben wir den Trichter mit einem «

Türensystem » ausgestattet. Die Klötze

werden wie bisher alle zugleich mittels

des Schiebearms eingeführt jedoch

werden sie jetzt neu in jeweils 3

verschiedene Kompartiemente

aufgeteilt. Zwei von diesen Komparti-

menten werden am anderen Ende von

Türen zugeschlossen. Als sich der Arm

hochhebt, gleiten die Klötze, die sich

dort befinden wo keine Tür ist, auf das Laufband wobei die Anderen noch im

Trichter bleiben. Wenn das Laufband dann die erste Ladung transportiert hat,

dann offnet sich eine Tür und weitere 3 Klötzen kommen auf das Band. Dieser

Prozess wiederholt sich dann für die übrigen Klötze.

Abb. 21: Türensystem beim Schiebearm Klötze


Weitere Schwierigkeiten sind später whärend der Testphase aufgetreten. Einerse-

its ist uns aufgefallen das das Seil, das am Arm befestigt war und diesen ausk-

lappte, die Klötze störte als der Arm herunten war. Dehalb mussten wir es an

zwei verschiedenen Stellen befestigen, sodass die beiden Fäden genau zwischen

den Klötzenreihen liefen und diese nicht bewegten.

Es hat sich auch herausgestellt, dass die Aluminiumbasis zur Aufnahme nicht

sehr gut geignet war, denn die Klözte verkanteten sich an der Basis obwohl wir

die Platte zuvor schon geschliffen hatten um ihre Dicke zu verkleinern. Deshalb

haben wir entschieden eine sehr dünne Schicht aus Plastik am Ende der Platte zu

befestigen, so dass diese die Klötze auf das Aluminium führt.

Das Türensystem haben wir so gestaltet, so dass die Türen sich hintereinander

öffnen wenn der Servomotor eine Drehung von 45° absolviert. Dazu mussten wir

eine Lösung finden damit die erste Tür wieder geschlossen ist wenn die zweite

sich öffnet weil sie sonst die Klötze einklemmt.

Abb. 22: Schiebearm für die Klötze


Grundgerüst

Das generelle Gerüst besteht aus Holz, da es

dank Bohrungen, Klebemittel und andere

Verbindungselemente leicht zu bauen ist.

Wir haben erstens eine dünne Holzplatte

mit Dimensionen 40x40cm als Basis für den

Roboter ausgesucht. Auf dieser Plattform

haben wir dann die anderen Gerüstteilen

hinzugefügt. Aus weiteren Holzplatten

haben wir die „Wänden“ ausgeschnitten und

diese mit Schrauben einander befestigt.

Um die Arme hochzuklappen haben wir uns entschieden diese mit Seilen zu

bewegen. Diese führen über eine Spule die auf einer erhöhten Plattform steht.

Die Plattform ist an zwei Masten befestigt die an beiden Seiten des Systems

emporstehen. Die Spulen haben wir aus Lego

gebildet, die bleibende Konstruktion jedoch aus

Holz. Beide Materialien haben wir mittels

Schrauben zusammen befestigt.

Spulen zum ein–und ausrollen der Seile

Servo zum Ausklappen der Deponierärme

Abb. 23: Oberteil des Grundgerüsts


Laufband

Da wir gemerkt hatten, dass die Klötze unmöglich direkt bis zur Öffnung gleiten

konnten, musste nun zum Transportieren der Klötze ein Laufband gebaut

werden. Dieser sollte mit einen einzigen Motor die Klötze von einer Anfangshöhe

von 60mm auf einer Endhöhe von 100mm, und dies auf einer Länge von 380mm

(1cm Toleranz auf jeder Seite der Startzone) : Dies entspricht also einer

Gesamtlänge des Laufbands von ungefähr 382 mm.

Aus Einfachheits- sowie Flexibilitätsgründen

wurde die Struktur des Laufbands aus Lego gebaut

(Abbildung 25). Darauf wurde ein elastisches Band

aus Stoff befestigt, der die Klötze hochtragen sollte.

Der Motor wurde so positioniert, dass er das obere

Rad der Struktur drehte, da sich dort die grösste

Kontaktfläche zwischen der Struktur und das Band

selber befand. Da das Laufband nicht so schnell

gehen sollte, wurde ein Zahnradsystem mit

einem Verhältnis von 5:1 (also 5 Umdrehungen

des Motors für eine Umdrehung des Rads) eingebaut.

Abb. 25: Eingebaute Laufband-

struktur aus Lego

Abb. 26: CAD Modelle zum Grundgerüst

Wir haben schnell gemerkt, dass die Klötze immer wieder vom Laufband

abgerutscht sind. Daher haben wir beschlossen, kleine Kartonbänder am Laufband

anzuheften, um das Gleiten der Klötze zu vermeiden (siehe Abb. 26). Dies hatte

ebenfalls als Vorteil, das die Klötze in regelmässigen Abständen auf die

Abladerampe ankamen und sich deswegen nicht gegeneinander blockiert haben.

Abb. 26: Funktionsfähiger Laufband

mit Kartonbändchen



Deponierärme

Unsere zwei Deponierärme müssen eine gewisse Länge haben damit sie die

jeweiligen Versenkungen erreichen können. Diese Längen haben wir auf einfacher

Art mit dem Satz von Pythagoras berechnet. Die Klötze werden auf einer Höhe von

160mm gebracht und die Versenkung befindet sich 250mm entfernt von der

Startzone. Dies ergibt eine Länge des Arms von 297mm (sqrt(160²+250²)). Der

Deponierarm wurde anfänglich aus Karton/Pappe gemacht; es hat sich

herausgestellt, dass die Klötze Schwierigkeiten hatten bis zu der Versenkung

korrekt zu gleiten. Deshalb haben wir entschieden eine dünne Aluminiumplatte

auf der Kartonoberfläche zu kleben, um dieses Reibungsproblem zu vermeiden.

Die Bälle müssen von einer Höhe von 60mm zu einer Höhe von 20mm rollen. Die

Weite von der Startzone zum Podest beträgt 220mm. Die Länge des Arms beträgt

also 228mm. Dieser wurde aus leichtem Holz hergestellt. Der Winkel zur

Horizontalen beträgt (arccos(220/228)) 15° was das Rollen der Bälle auf dem Arm

ermöglicht.

Abb. 27: Deponierärme für Klötze (oben)

und Bälle (unten)


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Funktionsmuster

Um das geplante Vorgehen unsers Roboters zum Lösen der gestellten Aufgabe zu

definieren, haben wir das Funktionsmuster des Roboters erstellt. Dies ist nicht

nur für die Konstruktion, sondern auch für die Programmierung wichtig, damit

man zum Beispiel erkennt, wann welche Motoren laufen sollen.

1) Der Roboter wird auf das Spielfeld richtig

positioniert, die 4 Arme sind hochgeklappt.

2) Alle Arme werden gleichzeitig ausgeklappt,

z.B. mithilfe von Servos .

3) Die Klötze und Bälle werden alle auf einmal

mit Schiebearme aufgenommen.

5) Während die Bälle direkt bis zur

Öffnung rollen, werden für die Kl!otze die

T!uren nacheinander aufgemacht, sodass

die Klötze auf das Laufband gleiten und

dann bis zur Öffnung transportiert

werden.

4) Die 2 Arme zum Aufnehmen der Bälle

und klötze werden aufgehoben, das Laufband

wird aktiviert .


Programmierung

Ein wichtiger Schritt zum Ausführen der Aufgabe durch unser Roboter ist die

Programmierung. Diese wurde aus Einfachheitsgründen mit der Software National

Instruments Labview 8.5 durchgeführt, da diese eine einfache und übersichtliche

Bedienung ermöglicht. Ein Ausdruck des kompletten Programm befindet sich im

Anhang (Seite 51f). Die wichtigste Frage dabei war, ob der Roboter vollautomatisch

funktionieren sollte, zum Beispiel mit Hilfe der von der ETH gestellten Sensoren,

oder ob der Roboter von Hand bedient werden sollte.

Da sich bei unserem Konzept nicht der ganze Roboter bewegte, war eine

Bedienung mit Joystick oder mit der Tastatur ein unnötiger Aufwand. Die Befehle,

die angegeben werden sollten, waren grundgenommen relativ einfach und

konnten in 3 chronologischen Schritte detailliert werden, die auch im

Funktionsmuster vorkommen : das Ausklappen der Arme, das Aufnehmen der

Bälle und Klötze im jeweiligen Trichter sowie das Aufklappen der Arme, und das

Öffnen der zwei Türen für die Klötze.

Wir haben daher beschlossen, den Verlauf zum grössten Teil zu automatisieren.

Da aber bei den Tests meistens kleine Probleme vorkamen (z.B. ein Ball oder ein

Klotz der sich an einer Kante verklemmte) und man diese z.B. durch aus- und

aufklappen eines Arms einfach regeln konnte, erwies sich eine halbautomatische

Bedienung sowohl aus praktischen wie aus zeitlichen Gründen am Besten. Bei

einer solchen Programmierung greift zwar der Bediener ein, jedoch verlaufen viele

Prozesse vollautomatisch, sodass er nur einfache Befehle angibt oder im

Problemfall die Kontrolle übernimmt.

Abb28: Control Panel

(Grössere Abbildung auf Seite 50)


Wie auf dem Controlpannel zu sehen (Abb. 28) muss der Bediener am Anfang die

Servos inititalisieren, die gewünschten Geschwindigkeiten eingeben und das

Programm starten. Dank einer Time-Schleife (sogenannte flat loop) läuft die

Transition zwischen den verschiedenen Schritten automatisch. Der Bediener

muss zum Beispiel nur auf “Stop Arme runter” drücken, um zugleich das

Runterfahren der Arme zu stoppen und das Aufklappen derselben Arme zu

starten. Auf der rechten Seite des Controlpannels wird dank einer Anzeigetafel

angezeigt, welche Motoren oder Vorgänge gerade laufen.

Andere Verläufe, wie zum Beispiel das Öffnen der Türen für die Klötze

(Abbildung 29), läuft vollautomtisch. Sobald die Arme hoch genug sind, drückt

der Bediener auf “Stop Arme auf”. Dann öffnet sich durch Drehen des Servos um

ca. 45° die erste Tür, 4 Sekuden später durch zusätzliches Drehen des Servos um

90° die zweite Tür, sodass sich die Klötze nicht gegenseitig blockieren und in

regelmäßigen Abständen auf das Laufband ankommen.

Abb.29: Türensystem (Beispiel eines vollautomatischen Verlaufs mittels einer Time-Schleife)


Damit die Geschwindigkeiten der verschiedenen Motoren im Problemfall direkt

geändert werden können, wie hier am Laufband (Abbildung 30), werden die

meisten Befehle in while-Schleifen eingegeben, sodass die Geschwindigkeit immer

wieder neu überprüft wird (hier alle 10 Millisekunden). Der Bediener kann auch im

Problemfall auf die einzelnen Schritte zurückkommen, indem er auf dem Knopf

“Sicherheit” drückt (siehe Abb. 28). Dadurch kann er auf die vorher eingegebenen

Werte zurückgreifen, auch wenn er sich schon in der nächsten Time-Schleife

befindet.

Damit man beim Testen des Roboters nicht immer die Zeit aufnehmen muss,

wurde ebenfalls ein Timer im Controlpannel eingebaut (Abb. 31). Dieser besteht

einfach aus einer while-Schleife, die jede Sekunde einer Variable “Time” eins

addiert, gemacht. So kann der Bediener direkt auf den Controlpannel sehen,

wieviel Zeit schon verlaufen ist und wieviel Zeit noch übrig ist.

Weitere detaillierte Screenshots der Labview-Programmierung sind im Anhang zu

finden.

Abbildung 30 :Timer Abbildung 31 : While-Schleife für Laufband

Konkretisierung der Gesamtlösung

Einleitung

In den letzten Seiten wurden einzeln alle Teile des Systems detailliert und erklärt anhand von Photos des fertighergestellten Systems. Nun hat sich die Konstruktion nicht von alleine ergeben, das Projekt musste anhand einer logischen Materialwahl und einer effizienten Bearbeitung und Montage der Bauteile konkretisiert werden.

Materialwahl Mit einer detaillierten Lösungsvariante als Ausgangspunkt stehen wir zunächst

vor der Frage: „Welche Materialien sollen für jede Komponente des Systems

benutzt werden?“. Eine triviale Antwort gibt es hier nicht, deshalb haben wir die

Materialklassen mit ihren verschiedenen Besonderheiten aufgelistet um sie dann

mit den Anforderungen der Teile zu vergleichen.

Stahl hat ein hohes E-Modul und hat deshalb eine ausgezeichnet hohe

Bruchdehnung. Stahl kann ohne Problem belastet oder beansprucht werden. Ein

Nachteil ist aber sein grosses Gewicht und seine schwere Bearbeitbarkeit (mit

unseren Mitteln).

Holz ist günstig, sehr leicht und extrem gut bearbeitbar. Die Festigkeit von Holz

ist nicht vergleichbar mit die des Stahls jedoch kann Holz mittlere bis grosse

Belastungen gut aushalten.

Aluminium ist leicht und gleichzeitig sehr fest. Glatte Aluminiumoberflächen

ermöglichen das Gleiten dank ein sehr niedriges Reibungskoeffizienten.

Aluminium kann man einfacher bearbeiten als Stahl.

Legos sind geeignet für das Bauen von komplexen Strukturen. Viel Belastung

ertragen aber Legos nicht, sie verformen sich anstatt dessen elastisch und

plastisch und brechen schnell beim Auftreten von Beanspruchung. Vorteile sind

das geringe Gewicht und die Lösbarkeit der Legoverbindungen was ermöglicht

schnelle und aufwandfreie Modifikationen zu machen.



Als erstes haben wir uns Gedanken über das Grundgerüsst gemacht. Das

Grundgerüsst sollte möglichst leicht bearbeitbar sein und mittlere bis grosse

Lasten aushalten können. Holz würde sich hier gut eignen.

Für den Deponierarm der Klötze soll das Material das Gleiten der Klötze

ermöglichen. Stahl wäre hier in Ordnung, jedoch ist das geringe Gewicht des

Aluminiums vorteilhafter.

Für die Aufnahme der Bälle und Klötze wird eine komplexe Struktur verlangt. Das

ständige Modifizieren der Schiebeärme erfordert Bindungen die sich ohne grosse

Problem lösen können. Viel Gewicht muss das Material nicht tragen sollen, da

Klötze und Bälle keine besonders grosse Last darstellen. Hier eignen sich Legos

sehr gut.

Die verschiedenen Teile müssen zusammenmontiert werden. Die Verbindungen

zwischen den einzelnen Teile müssen verlässlich sein und hohe Beanspruchung

aushalten können. Gewicht spielt hier keine grosse Rolle da es sich um kleine

Elemente handelt. Stahl ist ohne Zweifel die richtige Materialwahl hierfür.

Um eine globale Übersicht was die Anteile der Werkstoffklassen in unser System

betrifft zu verleihen ist das folgende Schema nützlich.

Abb. 32: Schema zur Materialwahl


Materialbearbeitung

Wie im vorherigem Abschnitt schon erwähnt, haben wir uns entschieden die

meisten Teile des Systems aus Holz herzustellen. Die anderen Teile, die das

Grundgerüst ergänzen, sollen aus Stahl, Aluminium oder Lego gemacht werden.

Für die Bearbeitung dieser Materialien haben wir die drei Hauptbearbeitungen

durchgeführt: das Messen, das Sägen und das Feilen. Zuerst wurden gemäβ des

CAD Modells die verschiedenen Holzplatten richtig dimensioniert und einfach

abgesägt.

Für die Teile aus Aluminium, d.h ein Teil des Arms für die Klötze und dessen

Deponierarm, wurde viel Präzision gefordert, wegen der Geometrie dieser Bau-

teile. Hier war das Feilen besonders wichtig, um die Ungenauigkeiten, die beim

Sägen auftreten, aufzuheben.

Die Legoteile wurden oft einfach nachbearbeitet, weil deren Länge nicht der Tole-

ranz entsprach. Zur Montage der verschiedenen Teile haben wir einfache Schrau-

ben (M4/M5) und Gelenkstücke benutzt. Die Gelenkstücke werden zum Fügen

der 4 Ärme mit dem Grundgerüst gebraucht, weil sie zum Aus- und Aufklappen

zweier Teile sehr hilfsreich sind.

Abb. 33: Schleifen einer Aluminiumplatte

Abb. 34: Positionnieren des Laufbands


Vergleich CAD Modell / Roboter

Die Materialbearbeitung und die Montage wurde am 20.05 abgeschlossen und das

Resultat war mit dem CAD Modell, was drei Wochen zuvor designed wurde, im

Einklang.

Abb. 35: CAD Modell versus Roboter

Vorführung

Nun war es soweit. Montag 23. Mai ETH Hauptgebäude G1, 15h30. Neil erzählt:

„Wir waren, als der Prüfende Professor an unserem Tisch angekommen war, schon

bereit und hatten alles vorbereitet. Der Roboter war am Platz den wir schon davor

markiert hatten und von dem wir wussten dass es der perfekte Platz war. Während

einer von unserer Gruppe dem Examinator den genauen Prozess und die

Einzelheiten der Konstruktion erklärte, positionierten wir die Klötze und die Bälle

gemäss den Instruktionen an den vorgegebenen Plätzen. Als der Examinator mit den

Erklärungen zufrieden war, sagte er uns wir könnten beginnen.

Kurz nach dem Anfang blockierte ein Klotz den Schiebearm für die Klötze, was zum

scheitern der Ausführung führte. Dies war sehr wunderlich da wir mehrere Male

getestet hatten ob der Roboter am perfekten Platz war oder nicht. Daher entschieden

wir uns eine zweite chance zu ergreifen und fingen alles von vorne an. Nachdem wir

die Position korrigiert hatten starteten wir den Roboter. Der Arm für die Klötze

positionierte sich perfekt, doch der Arm für die Bälle blockierte sich auf die Bälle. Da

der Arm für die Bälle blockiert war fingen wir an mit dem Aufnehmen der Klötze.

Doch ein zuvor nie eingetretenes Problem tritt ein, als das Seil zum ziehen des

Schiebearms sich blockierte und einer von uns eingreifen musste um das Seil

freizuziehen. Aber dies funktionierte nicht und daher konnten wir nur 2 Klötze

aufnehmen, die perfekt über das Laufband befördert wurden und versenkt wurden.

Kurz darauf wurde entschieden dass wir wieder eingreifen mussten um den Arm für

die Bälle runterzudrücken, und somit die Bälle auf den Schiebearm einigermassen zu

„pressen“. Dies funktionierte, doch durch Pech blockierten sich Bälle in den Trichter,

und deswegen mussten wir den Schiebearm rasch einklappen (um die Bälle

rausfallen zu lassen). Dies hat funktioniert, denoch fielen wegen der raschen

Bewegung 3 Bälle aus dem System. 6 Bälle wurden aber versenkt. Es blieb uns an

diesem Punkt noch zirka. eine Minute, und in der Zeit wollten wir noch versuchen

mehr Klötze zu versenken. Nach 10 sekunden ungefähr einigten wir uns nach

Einsehen einer hoffnungslosen Lage das Experiment zu beenden.“ Auf der nächsten

Seite ist eine Vergleichstabelle noch zu sehen um unsere Leistung während der

Vorführung mit den Resultaten der Testphasen zu vergleichen.

Vorführung

Vorführung

Ziel/Anforderungen Bei Tests Bei der Vorführung

Aufgabe

Alle Klötze versenken meistens erreicht nur 2 Klötze

Alle Bälle versenken meistens erreicht 6 Bälle

Geometrische Anforderungen

Länge und Breite kleiner als 400mm erreicht erreicht

Höhe kleiner als 500mm erreicht erreicht

Zeitliche Anforderungen

Zeit : maximum 3 min. meistens in ca. 90 sek. alles versenkt (erreicht)

nicht erreicht, da nicht alle Bälle/Klötze versenkt wurden

Zeit zum Aufnehmen der Bälle und Klötze : weniger als 1 min.

meistens erreicht nicht erreicht, da nicht alle Bälle/Klötze aufgenommen wurden

Zeit zum Transportieren der Bälle und Klötze bis zur Öffnung : weniger als 1 min.

erreicht (bei allen aufgenommen Bälle und Klötze)

erreicht (bei allen aufgenommen Bälle und Klötze)

Material- und Gewichtsanforderungen

Hauptsächtlich Lego und Holz erreicht erreicht

max. 50 kg erreicht erreicht

Bedienung

Nur 1 Bediener erreicht erreicht

So automatisiert wie möglich erreicht erreicht

Elektrisch betrieben erreicht erreicht

Preisanforderungen

Maximal 100CHF pro Person erreicht (ca. 15CHF/Person) erreicht (ca. 15CHF pro Person)

Fazit

Das Innovationsprojekt hat sich auf 3 Monaten intensiver tagtäglichen Arbeit

verteilt . Der erhebliche Einsatz der zur Herstellung eines Konzepts führte war für

alle Teammitglieder eine belehrende und bereichernde Erfahrung. Parallel zur

Vorlesung „Innovationsprozess“ haben wir durch die

Innovationsprojektveranstaltung gelernt wie auf konkreter Weise die einzelnen

Etapen zur Erzeugung eines neuen Produkt mit gewissen Anforderungen und

Einschränkungen erheblich und unerlässlich sind. Jede Phase des Projektes hat

seine spezifische Rolle und die Ziele des Projektes können nur dann erreicht

werden wenn alle Entwicklungsstufen sinnvoll erfasst wurden.

Teamwork war während dem ganzen Projekt zentral. Durch starke Kohäsion und

Motivation haben wir erfolgreich die Aufgabenstellung erfüllt. Das gemeinsame

Verstehen der Anforderungen, was von uns erwartet wurde, war eine Grundlage

für die Entwicklung von Teillösungen durch Kreatives Denken. Die zeitlich

beschränkten Meilensteine, die die regelmässigen Präsentationen darstellten,

gaben uns die Möglichkeit klar definierte Etappenziele zu setzen und sie zu

respektieren. Dies war eine hervoragende Angelegenheit unsere „Time-

management“ Fähigkeiten zu entfalten.

Fazit

Anhang

Wir bedanken uns ganz herzlich bei Tobias Widmer für die Betreuung und bei

Prof. Roland Yves Siegwart, Dr. Carmen Kobe und Dr. Ekkehard Zwicker für die

Vorlesung „Innovationsprozess“. Wir bedanken uns ebenfalls bei Martin Schütz

und Stefan Bertschi für die Koordination des Innovationsprojektes.

Team 7A, 01.06.11

Danksagung

Anhang

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Anhang

CAD Model: Ansicht 1

CAD Model: Ansicht 2

Innovationsprojekt 2011 ETH Zurich by Aaron Lelouvier, Kevin Najjar, Felix Renaut, Max Taillandier,...

Documents

Transcript of Innovationsprojekt 2011 ETH Zurich by Aaron Lelouvier, Kevin Najjar, Felix Renaut, Max Taillandier,...