3D Modellierung eines AlphaBot

Abb. 1: AlphaBot Solid Works

Autoren: Sefa Hasan Demiröz
Betreuer: Prof. Schneider
Art: Praxissemester
Projektlaufzeit: 02.11.2021-20.02.2022

Einleitung

Dieser Artikel beschreibt die Vorgehensweise zum Erstellen eines repräsentativen Modells für einen Alphabot mit dem Programm Solidworks (siehe Abb.1). Damit ist es die Grundlage für ein Simulationsmodell, um im Weiteren in Webots simuliert zu werden. Essenziel für das Modell sind die Vorgaben, dass es geometrisch so genau wie möglich und bewegungsfähig ist. Um dies zu erreichen muss man sich Gedanken auf die generelle Vorgehensweise machen. Im ersten Schritt wird eine handschriftliche Skizze angefertigt um einen Überblick zu bekommen. Daraufhin muss man klar definieren welche Bauteile beweglich seine sollen, um sie seperat zu modellieren. Die seperaten Bauteilewerden zum Schluss wieder zu einer Baugruppe zusammengefügt und mit Webots verknüpft.

Übersicht

Autor: Sefa Hasan Demiröz

Notwendige Eigenschaften des Modells

Für das Modell ist es essenziel mit den genauen geometrischen Maßen zu zeichnen, da ansonsten hinterher in der Realität es zu Fehlern kommen kann, die in der Simulation nicht angezeigt werden. Ebenso wichtig für das Modell ist es beweglich zu sein . Die beiden Räder müssen eine klare Drehbewegung ausführen können und der Sensor muss um 180° drehbar sein. Außerdem ist zu beachten dass man ein Modellierungsprogramm in Betracht zieht welches kompatibel mit dem Simulationsprogramm ist.

Realisierungsmöglichkeiten

Eine Realisierungsmöglichkeit ist den Alphabot abzumessen und dementsprechend in Solidworks zu verwirklichen. Dadurch, dass der Alphabot eine recht komplexe Geometrie besitzt kann man auch über eine andere Realisierungsmöglichkkeit nachdenken. Eine andere Realisierungsmöglichkeit wäre es wenn man den "Boden" des Alphabot abschraubt und davon ein Foto macht. Dieses Foto kann man in Solidworks mithilfe der Funktion Autotrace nachzeichnen. Mithilfe dieser Funktion kann man ein viele realistischere Abbildung des Alphabot erreichen und zu einem besseren Ergebnis gelangen. Um das Modell auch funktionsfähig zu machen, lassen sich Motoren "implantieren", um die jeweiligen Teile beweglich beziehungsweise drehbar zu machen.

Tutorials und Grundlagen für das Arbeiten mit Solidworks

Um das Modell zu verwirklichen ist es wichtig sich immerhin mit den Grundlagen von Solidworks vertraut zu machen. Wir haben die Version Solidworks 2019/2020 genutzt.

Grundlagen Solidworks

Wenn man das Programm öffnet wird man als erstes gefragt ob man ein Modell zu einem " Teil " oder eine ganze " Baugruppe" erstellen möchte. Ein Teil ist nur Element von vielen aus einer ganzen Baugruppe. Eine Baugruppe ist ein Zusammenschluss von mehreren Teilen.

Am Anfang des Modellierens stellt sich die Frage ob man das Modell in mehrere Teile unterteilen möchte oder ob man direkt eine in sich geschlossene Baugruppe erstellen möchte (siehe Abb.2). In vielen Fällen ist es leichter die Baugruppe in mehrere Teile zu unterteilen, da man auch in Funktionen von verschiedenen Teilen unterscheiden kann. In unserem Fall hat es mehr Sinn gemacht die Die Baugruppe zu unterteilen, da die Räder eine andere Drehbewegung haben als die Der Sensor.

Abb.2: Teil oder Baugruppe Ansicht

Nachdem man sich nun entschieden hat ein Teil oder eine Baugruppe zu erstellen öffnet sich ein neues Fenster. In der Mitte des Fensters (vergleiche Abb.3) ist der Graphikbereich, wo das Modell erstellt wird. Der Graphikbereich dient dazu das Modell abzubilden. Mithilfe des Scrollrades kann man das Modell von verschiedenen Winkeln betrachten. Wichtig ist, dass man das Scrollrad gedrückt hält und die Maus in gewünschter Richtung bewegt.

Abb.3: Graphikbereich

Überhalb des Graphikbereichs befinden sich die Werkzeuge für das Erstellen des Modells (siehe Abb.4). Die Werkzeuge werden in verschiedenen Anwendungen unterschieden welche man über die Registerkarten erreichen kann. Die Hauptsächlich relevanten Anwendungen sind die "Skizze" , "Features" und "Solidworks Zusatzanwendungen".

Abb.4: Anwendungszentrale

Um nun die Zeichnung zu starten, muss man eine Ebene auswählen in der die Zeichnung sich befinden soll. Typischerweise bevorzugt man die Ebene vorne, da man hinterher einen besseren Blick auf die Zeichnung hat. Die Ebene wird auf der linken Seite des Bildschirmes ausgewählt. Nachdem die Ebene ausgewählt wurde, kann man über das Werkzeug "Skizze" auf elementare Geometrieen wie zum Beispiel Linie oder Viereck zu greifen. Wichtig ist, dass man in Solidworks alle relevanten Längen bemaßt. Ohne eine präzise Bemaßung der Zeichnung lassen sich zukünftige Features nicht anwenden. Das Bemaßen findet man ebenso unter dem Werkzeug "Skizze" als "Intilligente Bemaßung". Man erkennt eine richtig bemaßte Zeichnung anhand der Beschreibung als "voll definiert" unten rechts. Ebenso werden die Kanten der Zeichnung schwarz gefärbt.

Abb.5: Voll definierte Zeichnung

Mithilfe des Features "linear ausgetragener Aufsatz" lassen sich zwei dimensionale Zeichnungen in 3 dimensionale Körper überführen. Die Dicke kann man links im Menü daraufhin einstellen.

Abb.6: Körper austragen

Autotrace

Autotrace ist eine Funktion, um schwer umsetzbare und komplizierte Gemoetrien einfach zu modellieren. Damit man die Funktion nutzen kann, wird ein Bild benötigt. Dieses Bild dient als Vorlage, um anhand der Kanten der Fläche die Form zu realisieren. In unserem Fall kann man die "Grundfläche" des Alphabots aufschrauben und davon ein Foto machen, damit man Autotrace nutzen kann. Ein hilfreiches Tutorial für die Anwendung und Nutzung von Autotrace findet man hier [1]. Im Folgenden wurde jedoch auf diese Feature verzichtet, da man mit der aktuellen Version von Solidworks nicht darauf zugreifen kann. Anhand des Videos kann man erkennen, dass Autotrace mit Solidworks 2014 funktioniert. Aus diesem Grund wäre es ratsam die alte version von 2014 herunnterzuladen, um die bestmögliche Genauigkeit zu erreichen. Anstelle dessen wurde auf eine vereinfachte Form des Alphabots zurückgegriffen.

Abb.7: Alphabot Grundfläche

Schritt für Schritt Erklärung zu dem fertigen Modell

Vor dem Arbeiten mit dem Programm ist es empfehlenswert eine handschriftliche Skizze der Zeichnung anzufertigen, um einen besseren Überblick zu bekommen. Für diesen Schritt ist es notwendig alle Maße des Alphabots präzise abzumessen und ordnungsgerecht einzutragen. In unserem Fall haben wir jeweils eine Skizze für die Grundfläche, für die Räder und den Sensor erstellt. Dementsprechend haben wir auch 3 verschiedene Bauteile gehabt die wir hinterher zu einer Baugruppe definiert haben. Die Folgende Anleitung beschreibt Schritt für Schritt wie wir von unserer Skizze zu dem späteren Modell gelangt sind.

1. Grundfläche skizzieren und bemaßen

Abb.9:Grunfläche Skizze

2. Das Werkzeug " Linear ausgetragener Aufsatz" verwenden

Abb.9:Grunfläche Skizze

3. Säulen skizzieren

Abb.9:Grunfläche Skizze

4. Säulen linear austragen

Abb.9:Grunfläche Skizze

5. Ablagefläche für den Sensor erstellen

Abb.9:Grunfläche Skizze

6. Ablagefläche linear austragen

Abb.9:Grunfläche Skizze

7. Kontaktkörper erstellen

Abb.9:Grunfläche Skizze

Modell mit Webots verknüpfen

Das Modell lässt sich einfach mit Webots verknüpfen. Um es zu verknüpfen ist es erforderlich das Modell in einer der folgenden Dateiformen abzuspeichern.

Abb.8: Teil oder Baugruppe Ansicht

In unserem Fall haben wir die Dateiform wrl benutzt. Nachdem man das Modell in der richtigen Dateiform gespeichert hat muss man nun in Webots auf den über den Reiter "File" auf "Import 3D-Modell".

Abb.9: Teil oder Baugruppe Ansicht

Wichtig zu beachten ist hierbei, dass man auch hier die beweglichen Teile des Alphabots einzeln einfügt, da sich später nur diese Teile sich drehen sollen und. Also haben wir im Prinzip 3 verschiedene Bauteile. Der "Body" der starr bleibt und sich in keiner Art und Weise bewegt und die Reifen die sich drehen müssen genauso wie der Sensor.

Nachdem man nun alle Bauteile mit Webots verknüpft hat fehlt es nur noch die Bauteile miteinander zu fixieren und den Motor in die Räder zu implementieren. Wenn man alle Schritte wie befolgt einhält, dann ist man in der Lage mithilfe eines Controllers dafür sorgen können, dass das Modell sich wie gewünscht bewegt.

Software

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Zusammenfassung

Schreiben Sie die folgenden Punkte in einen Unterartikel, der Zusammenfassend beschreibt, was Sie gemacht haben und was Sie im Praxissemester auch in Bezug auf Ihr Studium gelernt haben. Welche Kompetenzen konnten Sie weiter entwickeln?

Im Folgenden wir beschrieben welche Kompetenzen ich durch das Praxissemester erlebt habe und welche ich gegebenenfalls weiterentwickeln konnte. Die Vorgabe für das Praxissemester war es ein Alphabet autonom fahren lassen, welcher von dem Roboter Operating-System 2 angesteuert wird. Dementsprechend war es essenziell sich mit dem Roboter Operating System auseinanderzusetzen. Dies taten wir durch die entsprechenden Tutorials zur Einarbeitung von ROS2.

Daraufhin haben wir unser erstes eigenes Modell entworfen mit dem CAD-Programm Solidworks. Mithilfe meines Vorwissens durch ein CAD Praktikum an der Hochschule Hamm-Lippstadt war ich in der Lage mein gelerntes Wissen umzusetzen und konnte somit ein geeignetes Modell für den AlphaBot erstellen. Ebenso habe ich gelernt wie man eine Bewegungsstudie durchführt und erste Erfahrungen mit der Funktion "Autotrace" gesammelt, welches hilfreiches Wissen für mein späteres Berufsleben sein kann.

Um nun das erstellte Modell nutzen zu können musste man sich mit dem Simulationsprogramm "Webots" bekannt machen. Dies haben wir ebenfalls über Tutorials erledigt. Mithilfe von Webots war es uns möglich erste Codes zum autonomen Fahren zu simulieren. Webots ist somit die Brücke zwischen CAD-Zeichnung und einem CAD-Modell. Durch Webots habe ich gelernt wie man ein Modell für eine bestimmte Umgebung mithilfe eines Controllers simulieren und nach meiner Vorstellung anpassen kann. Dies ist eine sehr wichtige Erfahrung, da man in den meisten Fällen eine CAD-Zeichnung erstellt, um später mit der Zeichnung weiterzuarbeiten.

Nachdem man sich nun das nötige Softwarewissen angeeignet hat, war es wichtig sich mit der Hardware des Alphabets zu beschäftigen. Neben dem infrarot-, Ultraschall- oder LiDAR-Sensor war die wichtigste Komponente unseres Roboters der Raspberry PI 4. Durch die Arbeit mit dieser Hardware habe ich erste Erfahrungen mit der Programmiersprache Python gemacht und habe ein tieferes Verständnis darüber bekommen wie die Sensoren arbeiten.