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Robi vor, Noch ein Tor!
 Wendiger Mini-Kicker
Entwicklung eines holonomischen Fahrwerks
für einen RoboCup Junior Spieler
Eine Projektarbeit von Michael Rauls
und Thomas Stahl für „jugend forscht”
Kurzbeschreibung
Auf dem Fußballfeld gewinnt nur, wer schnell und wendig agiert. Das gilt für echte Spieler, aber auch für Roboter. Michael Rauls und Thomas Stahl entwickelten einen fußballspielenden Roboter, der besonders flott manövrieren kann. Das Geheimnis ist ein sogenannter holonomischer Antrieb. Die Maschine läuft auf Sternförmig angeordneten Rädern mit zusätzlichen kleinen Rollen, deren Achsen quer zur eigentlichen Radachse liegen. Das ermöglicht dem Roboter ohne zeitraubende Drehung um die eigene Achse in jede Richtung los zu sprinten!
Die Projektarbeit beinhaltet alle Entwicklungsstufen, von der Idee, über die Einzelnen Prototypen, bis hin zum funktionell ausgereiften Modell Omni Robot 2.1. Insbesondere Enthält sie eine Mathematische Beschreibung des omni drives und die Grundlagen zur Implementierung für den RoboCube.
Das Rad neu entdecken
Wir trauten unseren Augen kaum, als wir beim RoboCup Event in Seattle die Small Size Spiele verfolgten: Fuhren die Roboter noch gerade richt auf's gegnerische Tor zu, brausten sie im nächsten Moment just zur Seitenlinie Weiter - ohne Stop, ohne Drehung. Uns war klar, das brauchen unsere Robis auch! Aber wie funktioniert dieses Fahrwerk? Eine simple Idee macht's möglich:
 Die Roboter laufen auf Speziellen Räder, sogenannte onmi wheels. Diese Räder erlauben die Entkopplung zweier orthogonaler Richtungen. Statt Laufflächen Tragen diese wheels kleine Röllchen, deren Achsen quer zur eigentlichen Radachse liegen. So kann die Hauptrichtung der omni wheels aktiv angetrieben werden, die senkrechte Richtung ist hingegen passiv und abhängig. Ursprünglich sind diese Räder für die Verwendung in Cargo-Handling Systemen vorgesehen (Kornylak Transwheel, North American Roller Products). Wir haben uns nach einigen Versuchen für die 40 mm omni wheels von NARP entschieden, da diese in der Polyuhrethan Ausführung auf der recht glatten Spielfeldoberfläche die beste Bodenhaftung haben.
Holonomisch
Der Trick mit den drei Rädern
 Das Ziel, ein holonomische Fahrwerk zu entwickeln kann man mit einer mindest Konfiguration von drei unabhängig angetrieben omni wheels erreichen. Eine geringere Anzahl ist nicht möglich, da dann das entstehende Gleichungssystem nicht eindeutig lösbar wäre - die Rotation des Roboters z.B. nicht festgelegt wäre. Wir haben uns für eine sternförmig symmetrische Anordnung der Antriebseinheiten entschieden.
Die Kunst besteht nun darin, für die gewünschte Fahrtrichtung eine passende Geschwindigkeitsbalance über die drei Motoren zu finden. Man kann mit einer kleinen Rechnung zeigen, dass die Geschwindigkeiten sich gemäß folgender Regel errechnen lassen:
Wobei  die jeweiligen Radgeschwindigkeiten darstellen und  die Rotation des Roboters um die eigene Achse.
Der Roboter kann, unabhängig von seiner momentananen Orientierung, in jede Richtung direkt lossprinten, ohne vorausgegangene Drehung. Während der Fahrt kann sich der Roboter drehen. Position und Orientierung sind unabhängig voneinander veränderbar, die Bewegung ist holonomisch.
Die Software
Die zu entwickelnde Software muss zwei Aufgaben übernehmen: 1. Der gewünschte Fahrbefehl (Vector) wird verlässlich umgesetzt und 2. Die Aktuelle Position und Orientierung des Roboters ist immer bekannt. Beide Features sind für das Anwenderprogramm über ein application programming interface (API) zu erreichen.
Das RoboCube System verwendet hierzu eine Interrupt Service Routine (ISR), welche die Bewegungsregelung übernimmt. Oben beschriebene mathematische Theorie ist nur für den statischen Fall gültig. Die ISR wird mit einer Frequenz von mehr als 200 Hz ausgeführt. In diesen infinitesimal kleinen Zeitintervallen kann man sich statische Beschreibung der Situation begnügen. Die errechneten Radgeschwindigkeiten werden an PID-Controller übergeben. Die Position wird über Quadraturdecoder, die sich im Motor befinden, mitgekoppelt.
Die Hardware
Die Chassis von Omni Robot 2.0 und 2.1 sind komplett am Rechner entwickelt. Die drei Motoren werden zwischen zwei 'Grundplatten' eingeklemmt. Für Motor und Radmitnehmer sind zwei Aufnahmen eingeplant. Die Radmitnehmen werden direkt auf die Getriebeachse aufgesteckt, sind mit Kugellagern im Lager gesichert. Die omni wheels sind aufgesteckt und mit einer Mutter M8 festgeklemmt. Weitere Ebenen aus Plexiglas für RoboCube und Akku, sowie Abschlussplatte, werden von vier Gewindestäben M3 getragen.
Zur Umsetzung dieser Pläne fehlt RIDS die notwendige technische Ausstattung. Wir freuen uns über die gelungene Kooperation mit der Villeroy und Boch Ag (Mettlach): Die beiden Grundplatten, die Radmitnehmer und die Lagerblöcke wurden mit höchster Präzision in der Lehrwerkstatt angefertigt. Herr Ackermann, als Ansprechpartner, ist uns behilflich bei der normgerechter Bemaßung der Skizzen und technischen Details.
 Im Anschluss an die Jugend Forscht Wettbewerbe folgen weitere Verbesserungen: Der Roboter wird u.a. mit einem pneumatischen Kicker ausgestattet. Die Festo AG (St. Ingbert, Rohrbach) versorgt uns mit dem nötigen Konw How und der Hardware: Zwei Druckspeicher sind über eine Miniaturventil MHA1-M4H (3/2Wege) an einen Einfachwirkenden Zylinder angeschlossen. Diese Erweiterung erhöht das Gewicht des Robis.
Die recht massiven Grundplatten 3 mm können noch etwas 'ausgehöhlt', und die Material stärke reduziert werden. So entstand das Chassis von Omni Robot 2.1. Die Umgesetzung unsere Pläne ermöglichte die Firma Aquamid (Bexbach), spezialisiert auf Wasserstrahlschneidtechnik im Saarland. Die 2 mm starken Scheiben sind zu unserer Überraschung extrem stabil!
Materialien
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RoboCup?
News
26.06.2010:
Roboter-Workshop an der IGS Dillingen
13.11.2006:
RIDS auf der Woche der Naturwissenschaften im saarländischen Kultusministerium
11.08.2005:
Beitrag über RIDS in den SaarNews von SaarTV
21.07.2005:
Der SR berichtet im "Aktuellen Bericht" über uns
17.07.2005:
WM aktuell: RIDS triumphiert in Japan: Kompass rekalibriert, WM gewonnen!
16.07.2005:
WM aktuell: Das Superteam 11 mit der RIDS-Fraktion Mission Possible Reloaded kämpft sich ins Finale!
12.07.2005:
WM aktuell: Ein Omni-Roboter hat den Flug nicht heil überstanden - der Zeitplan des Teams ist durcheinander!
10.07.2005:
RIDS macht sich auf den Weg zur WM in Japan!
25.04.2005:
In der Saarbrücker Zeitung, Ausgabe Saarlouis, wurde ein Artikel über RIDS und das MPG veröffentlicht!
10.04.2005:
Das RIDS-Team Mission Possible Reloaded hat sich auf den RoboCup German Open für das RoboCup 2005 in Osaka qualifiziert!
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