Spingender Lego-Roboter

DEUTSCHE
GESELLSCHAFT FÜR
ZERSTÖRUNGSFREIE
PRÜFUNG E.V.
ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Landeswettbewerb Jugend forscht
SCHÜEX THÜRINGEN
Springender Lego Roboter
Robert Löser
Felix Poeser
Dennis Neubauer
Schule:
Staatl. Gymnasium „Erasmus Reinhold“
Am Lerchenbühl 17
07318 Saalfeld
Jugend forscht 2013
Das Team:
Robert Löser
geb.:
02.09.2002
Felix Poeser
geb.:
02.03.2002
Dennis Neubauer
geb.:
25.05.2002
Betreuer:
Frau Gräf
Schule:
Erasmus-Reinhold-Gymnasium Saalfeld
Klasse 5c
Am Lerchenbühl 17
07318 Saalfeld
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Inhalt:
1. Aufgabe
3
2. Kurzfassung
3
3. Verwendete Materialien
3
4. Die Idee
3
5. Experimentieren mit verschiedenen Modellen
4
a. Einsatz von Pneumatik – Verwendung Lego Mindstorm RIS 2.0
4
b. Hopsi 1 – Verwendung Lego Mindstorm RIS 2.0
4
c. Hopsi 2 – Verwendung Lego Mindstorm RIS 2.0
4
d. Hopsi 3 – Verwendung Lego Mindstorm NXT 2.0
4
e. Hopsi 4 – Verwendung Lego Mindstorm NXT 2.0
5
f. Hopsi 5 – Verwendung Lego Mindstorm NXT 2.0
5
g. Hopsi 6 – Verwendung Bausatz Lego Technik 8287
6
h. Hopsi 7 – Lego Technik 8287 und Lego Mindstorm RIS 2.0
7
6. Bauanleitung
8
a. Teileliste
8
b. Seitenansichten
9
c. Detailansichten
10
7. Programm
11
8. Erfahrungen
12
9. Literatur, Software, Hilfe
12
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1.
Aufgabe:
Entwicklung eines Lego-Roboters, der springen kann. Erstellung einer Bauanleitung.
2.
Kurzfassung
Unter Verwendung verschiedener Bausätze bauten wir einen Roboter der springen
kann. Durch unterschiedlichste Ideen lernten wir die Zusammenhänge zwischen
Stärke des Motors und dem Gewicht unserer Modelle kennen. Durch das Springen
der Modelle wurden wir auch aufmerksam auf die unterschiedlichsten Arten der
Lego-Verbindungen (Befestigungen). Diese sind sehr entscheidend für die Festigkeit
des Modells. Erst unter Berücksichtigung all dieser Kriterien ist es uns gelungen ein
Modell zu bauen, das die Belastungen der Sprünge aushält und der Motor es auch
wirklich schafft den Roboter springen zu lassen.
Für unser erfolgreiches Modell erstellten wir eine Bauanleitung und dokumentierten
das erstellte Programm.
3.
Verwendete Materialien
a. Lego Mindstorm RIS 2.0 (alter Bausatz)
b. Lego Mindstorm NXT 2.0 (neuer Bausatz)
c. Lego Technik Bausatz 8287
d. Fotoapparat
e. Software Robotics Invention System 2.0
4.
Die Idee
Seit Oktober 2012 sind wir Mitglieder der AG „Roboter bauen und programmieren“ an
unserem Gymnasium. Robert war außerdem im September 2011 im Bildungscamp in
Zella-Mehlis zu dem gleichen Thema.
In dieser AG haben wir angefangen Roboter-Modelle nach Anleitung zu bauen und
selbstständig zu programmieren. Das macht uns allen viel Spaß. Wir haben
inzwischen schon viele Anleitungen zum Bau von Robotern gefunden die klettern,
laufen, fahren, schießen usw. können, aber noch keinen Roboter der springen kann.
Warum gibt es dazu keine Anleitung? Ist es überhaupt möglich einen springenden
Roboter zu bauen? Das wollten wir herausfinden.
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5.
Experimentieren mit verschiedenen Modellen
a. Einsatz von Pneumatik – Verwendung Lego Mindstorm RIS 2.0
Wir haben über die Verwendung der Lego-Pneumatik nachgedacht,
aber die Luft entweicht viel zu langsam. Deshalb können sich die Federn
nicht schnell genug entspannen.
Diese Idee mussten wir also ganz schnell verwerfen.
b. Hopsi 1 – Verwendung Lego Mindstorm RIS 2.0
Für Hopsi 1 nahmen wir uns einen Stabhochspringer zur Grundlage. Der
Roboter sollte sehr schnell anfahren, dann sollte unten ein Stab rausklappen
und der Roboter springen.
Wir haben 2 verschiedene Varianten ausprobiert. In der 1. Variante war der
Roboter viel zu langsam und in der 2. hatten wir dann ein super Getriebe
gebaut, aber leider war der Motor zu schwach. Da hier unser technischer
Bausatz begrenzt war, mussten wir also auch diese Idee verwerfen.
c. Hopsi 2 – Verwendung Lego Mindstorm RIS 2.0
Ein Getriebe sollte eine Stütze regelmäßig nach unten drücken. Dabei sollte
er hochspringen.
Es funktionierte, aber es war nur eine lange Stange und der Roboter blieb
nicht stehen. Er fiel um. Also mussten wir ein Gestell entwerfen. Dieses
wurde aber viel zu schwer. Der Motor schaffte es nicht. Diese Idee war
wieder für die Katz.
d. Hopsi3 – Verwendung Lego Mindstorm NXT 2.0
Wir besprachen unsere Idee mit unserer AG-Leiterin Frau Gräf. Sie gab uns
den Lego Mindstorm NXT 2.0 Bausatz über die Weihnachtsferien mit nach
Hause. In diesem Bausatz sind die Motoren etwas stärker. Außerdem ist die
Programmierung viel leichter.
Wir nahmen Hopsi 2 als Grundlage und probierten ihn mit dem NXT zu
verbessern. Leider funktionierte auch das nicht richtig, denn auch wie schon
bei Hopsi 2 war unser Modell viel zu schwer.
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e. Hopsi 4 – Verwendung Lego Mindstorm NXT 2.0
Wir verbesserten Hopsi 3 und bauten ein Modell mit einem Motor und 2
Stangen. 2 Bogenelemente bewegten diese Stangen. Dieses Modell ging
leider kaputt, ehe wir es testen konnten. Es fiel die Treppe runter. Aber wir
hatten schon vorher gemerkt, dass es sehr instabil war und wahrscheinlich
wäre es auch trotzdem wieder zu schwer gewesen.
Schwachstelle
Verbindung – diese
Art der Verbindung
war am
schwächsten
f. Hopsi 5 – Verwendung Lego Mindstorm NXT 2.0
Hopsi 4 konnten wir leider nicht mehr ganz genau nachbauen, aber wir
nahmen das Hüpfprinizip mit dem Bogenelement zur Grundlage und
verbesserten die Stabilität, indem wir Platten benutzten. Da Hopsi 5 immer
umkippte, bauten wir ihn gleich noch einmal und verbanden diese 2 Modelle
zu einem. Das schafften aber die 2 Motoren nicht mehr. Wieder das gleiche
Ergebnis – viel zu schwer!
Schwachstelle
Verbindung – bei
Belastung fallen die
Teile recht schnell
auseinander
(Stabilität aber
etwas besser, als
bei Hopsi 4)
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g. Hopsi 6 – Verwendung Bausatz Lego Technik 8287
Wir waren verzweifelt und wollten schon fast aufgeben. Er muss doch
springen können. Nun überlegte auch jeder zu Hause mit. Auch die Väter
mussten mit ran und uns unterstützen.
Wir legten alle Roboterbausätze zur Seite. Da war doch im Schrank das gute
alte Lego Technik.
Abbildung: Lego
Technik 8287
Hopsi 2 und 3 waren doch eigentlich keine schlechte Idee. Da beschlossen
wir dieses Modell mit dem Lego Technik Bausatz nachzubauen. Der Motor in
diesem Bausatz ist viel leichter und dreht sich auch viel schneller.
Felix baute zu Hause ein Modell, das leider noch ein kleines Problem hatte.
Die Stange wurde über ein Zahnrad angetrieben, dass sich viel zu langsam
drehte. Deswegen sprang unser Roboter auch nicht. Die Idee war aber
super.
die Schwachstelle
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h. Hopsi 7 – Lego Technik 8287 und Lego Mindstorm RIS 2.0
Hopsi 6 wurde nachkonstruiert. Aber diesmal trieb nicht das Zahnrad die
Stange an, sondern wir bauten einen Hebel dazwischen. Der Drehkreis wird
dadurch größer und wir können die Zahnräder im Getriebe frei
zusammenstellen. Die Stange kann sich schneller hoch und runter bewegen.
Das war die Lösung!!! Er springt, aber leider fällt er immer wieder um. Also
bekam er noch eine gefederte Grundplatte. Diese federt beim Stoß der
Stange auf den Boden leicht ein und hilft dann beim Hochspringen, wenn die
Feder sich wieder entspannt. Es ist also ein gefederter Sprung. Außerdem
bauten wir vorne eine längere Stange mit Winkeln an den Enden ein, damit
die Grundfläche größer wurde. Nun bleibt Hopsi stehen und er schafft es
ungefähr 1 cm hoch zu springen. Zur besseren Stabilität lassen wir Hopsi 7
nur wenige Male springen. Dazu erstellten wir ein kleines Programm. Auf
Tastendruck springt Hopsi 7 einige Male - der Motor läuft für 5 s. Auf
Tastendruck beginnt das kleine Programm wieder von vorne. Im Punkt 8 ist
das Programm dargestellt.
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6.
Bauanleitung
a. Teileliste:
Electric, Motor RC
Race Buggy
4255563
4562487
2x 6536
2x 4112282
2x 4188311
2x 4165696
1x 370826
1x 373726
3x 370726
2x 370526
451926
2x 4206482
4x 4184168
3x 4211573
2x 4107066
1x 4107085
1x 4121715
5x 4211807
4144160
4107824
4121667
5306bc017
LEGO® Technic
Stoßdämpfer 6,5L
weiche F eder
1x 970115
Electric, Sensor,
Touch
Mindstorms RCX
2.0 without Power
Jack - Complete
Brick
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b. Seitenansichten:
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c. Detailansichten :
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7.
Programm
Durch den ersten
Programmschritt
„Loslassen“ bei
Betätigung des
Schalters wird ein
„Dauerhüpfen“
verhindert.
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8.
Erfahrungen
Es besteht ein sehr großer Zusammenhang zwischen dem Gewicht des
Roboters und der Stärke des Motors. Außerdem ist ein wichtiger Punkt die
Stabilität der Verbindungen. Das Springen des Roboters lockert unter
Umständen diese Verbindungen. Hier muss man sehr sorgfältig arbeiten und
möglichst mit Steckverbindern arbeiten. Verbindungen z.B über Platten, wie
verbaut bei Hopsi 5, gehen sehr schnell kaputt. Auch ist es wichtig, dass das
Modell federn kann, da sonst die Kräfte auf die Steckverbindungen zu groß
werden. Für eine bessere Stabilität sorgt außerdem eine möglichst große
Grundfläche.
9.
Literatur, Software, Hilfe
Literatur: keine
Software: Robotics Invention System 2.0
http://www.brickset.com/parts/search
http://en.bricker.ru/sets-catalog.html
Hilfe: Frau Gräf, Eltern
Alle Fotografien: Robert Löser
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