Tests und Weiterentwicklung des Prototyps

Nachdem nun alle mechanischen Komponenten zusammengefügt wurden, waren wir alle gespannt darauf, ob denn die Ansteuerung auch funktioniert. Also: Galileo angeschlossen, Servos verbunden, Testen. Begeisterte Freudesrufe folgten! Die Servos funktionierten perfekt, wenn auch die 1° Auflösung gröber als gedacht war. Zudem war die Hauptachse nicht sehr zuverlässig, da selbst das stärkere Holz das Gewicht nicht ohne Unwucht tragen konnte. Hier musste unbedingt eine bessere Idee her, idealerweise ein Lager oder ähnliches.

Hier trat dann auch schon das erste größere Problem auf: Sobald mehr als zwei Servos angesteuert wurden, wurde die USB-Verbindung vom PC zum Galileo getrennt. Nach einigem Rätseln stellte sich heraus, dass der Galileo abgestürzt ist, da die Servos zu viel Strom brauchen. Ein separates Netzteil wird also noch benötigt! Für den Prototypen reichte aber ein einfaches Labornetzteil.

Allerdings ist eine rein softwareseitige Ansteuerung noch ziemlich langweilig, also entschlossen wir uns eine kleine Handsteuerung zu erstellen, mit Joystick und Drehschalter, da die Pedale noch nicht fertiggestellt waren. Diese beiden wurden nebeneinandern auf einer Holzplatte befestigt, mit dem Galileo verbunden und dann ausgelesen.

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Hierbei traten dann auch die ersten Probleme mit dem Galileo auf:

Für die Handsteuerung wurden drei AnalogIn Werte gebraucht. Je einen Wert je Achse für den Joystick und einen zusätzlichen für das Drehpoti. Zuerst haben wir die AnalogIn-Pins A0 bis A2 verwendet. Bei genauer Betrachtung der Werte ist uns aufgefallen, dass das Messwert des Pins A0 von den Werten am Pin A1 und A2 beeinflusst werden. Genauso hat das anliegende Signal an Pin A0 auch die Messwerte an A1 bis A2 beeinflusst. Nachdem alle mögliche Fehler an der Schaltung ausgeschlossen waren und auch softwareseitig alles doppelt kontrolliert wurde haben wir als Referenz den identischen Code auf einem Arduino Uno ausgeführt wo alle Messungen korrekt waren. Also konnte der Fehler nur auf beim Galileo liegen. Testweise haben wir also die Pins auf A1-A2 geändert und stellten fest, dass damit das Problem behoben war. Wir haben zu Referenzzwecken einen zweiten Galileo mit unserer Software bespielt um festzustellen, dass auch dort das A0 Phänomen bestehen blieb. Leider konnten wir keine Ursache feststellen und sind somit gezwungen letztlich Pin A0 für unsere Zwecke als unbrauchbar anzusehen. Nachdem aber mehr oder weniger zuverlässige Werte auslesbar waren, ging es an dem finalen Test dieses Prototyps. Alles wurde wieder angeschlossen, Servos mit dem Galileo verbunden, Steuerung eingesteckt, Labornetzteil angeschaltet. Der erste richtige Lötinator Test. Und er funktionierte! Die Steuerung durch den Joystick war vollkommen intuitiv, und er machte es möglich, beide Kippachsen gleichzeitig zu bewegen. Allein der Anblick dessen belohnte uns für all die bisherige Arbeit!

Der erste richtige Prototyp Teil 1

Lasset das Werkeln, Löten und Programmieren beginnen!

Nach dem schon erstaunlich erkenntnisreichen Lego Prototypen folgt nun die Planung und Konstruktion unseres ersten, richtig funktionierenden Prototypen. Vollversammelt zu fünft begaben wir uns an die Arbeit und funktionierten Lukas‘ Zimmer zu einer Werkstatt um, die es (beinahe) mit dem Fablab aufnehmen konnte: Zwei versuchten Ideen für die Pedale zu entwickeln und diese umzusetzen. Eine andere Zweiergruppe versuchte, die grobe mechanische Konstruktion zu entwerfen und direkt aus den mitgebrachten Materialien umzusetzen. Einer brachte einen Galileo mit, um die Motoren anzusteuern und später die analogen Werte der Pedale auszulesen. Da wir alle zeitgleich arbeiteten, war der Austausch von Ideen, Fragen und genialen Einwürfen fließend. Stagnierte eine Gruppe und kam nicht weiter, kein Problem, Hilfe war nur 2m entfernt!

Insbesondere konnte uns Lukas‘ Vater mit Netzteilen, Kabeln, Schrauben, Widerständen, Klemmen, Akkuschrauber, Schraubenzieher, Lötkolben, Faden und Klebeband aushelfen. Desweiteren beförderten freie Kost und Logis unsere schöpferischen Talente.

Dieses geniale Timelapse vom Alles-sehenden GoPro-Auge im Zimmereck gibt die Entstehung dieses ersten Prototyps auf unvergleichliche Weise wieder!
Gezeigt werden die letzten 2 der 5 Stunden die wir zusammensaßen, zusammengefasst in wenigen Sekunden.

Wie aber genau kamen wir nun zu unserem hübschen Prototypen?
Zuerst musste geklärt werden, wie das Achsenproblem gelöst werden kann, ohne einen großen Rahmen um die ganze Arbeitsplatte anzubringen. Die Drehachse war recht einfach zu gestalten: Es gab zwei Möglichkeiten; einmal die ganze Konstruktion zu drehen, inklusive der beiden Kippachsen, oder nur die Arbeitsplatte an sich, und dafür den Dreh-Servo mitzukippen. Zweiteres erwies sich als deutlich intuitiver und simpler, da die Drehung die Kipprichtung so nicht verändert wird. Insofern befestigten wir einfach einen Servo in der Mitte einer quadratischen Grundplatte (15cm), die als Grund für unsere runde Arbeitsplatte dient. Diese quadratische Grundplatte wird dann von den Kippachsen bewegt.

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Die beiden Kippachsen aber stellten sich als echte Herausforderung dar. Wie kippt man flexibel eine Ebene um zwei Achsen, die sich genau im Mittelpunkt der Ebene schneiden? Es wurde schnell klar, dass die äußere Achse – nennen wir sie Hauptachse – die innere Achse mitkippen muss. Die innere Achse braucht aber einen Bezugsrahmen, der Servo muss ja irgendwo greifen. Insgesamt also kippt die Hauptachse einen Rahmen in Form eines liegenden U, die innere Achse, die die beiden Enden des U’s verbindet, kippt dann die Arbeitsplatte an sich. Beide Achsen befinden sich auf exakt der gleichen Höhe, sämtliche Schwenkbewegungen sind also komplett intuitiv.
Dies allerdings führte direkt zur nächsten Herausforderung: Die Hauptachse muss stabil genug sein, zwei Servos, den Rahmen, die Platte und das zu lötende Objekt zu halten. Als zusätzliche Schwierigkeit sollte diese Achse ja nur auf einer Seite am starren Gehäuse/Tisch befestigt sein, ansonsten hätte man beim Löten ja immer einen Rahmen im Weg, über den man greifen müsste.

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Während die eine Gruppe also über all diesen Fragen brütete, wurden auf der anderen Tischseite zwei Carrerabahn-Geschwindigkeitsregler („Drücker“) zerlegt und deren eingebautes Rheostat als Poti umfunktioniert und als Pedalersatz verwendet. Hier hätten wir zum ersten mal unseren fertigen Lötinator gebrauchen können, beim Verlöten der Widerstandsdrähte wäre die Drehbare Plattform extrem hilfreich gewesen!

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Nach einigem Hin und Her lieferte unser Voltmeter eine akzeptable Spannungsänderung beim Drücken der Regler, und es wurde Zeit, den Galileo in Aktion zu rufen.

Processing war in der Darstellung der ausgelesenen Werte und im Debugging sehr hilfreich. Innerhalb von kürzester Zeit konnten unsere Werte, ohne Vorkenntnisse in der Programmierung von Processing, in Balkendiagrammen dargestellt werden. So musste man nicht endlose Zahlenkolonnen in der seriellen Konsole interpretieren. Für eine schnelle Visualisierung ist uns nichts besseres bekannt!

Nachdem nun der Galileo die Grundfunktionen der Pedale umsetzten konnte, wurde es Zeit, auch die Servos zu testen. Die einzelnen Teile der eigentlichen Konstruktion, nämlich die Dreh- und Arbeitsplatte, der innere Rahmen und der Hauptrahmen, mussten zusammengefügt und irgendwie miteinander verbunden werden.

Der Lego Prototyp

Ideen, wie der Lötinator aussehen und was er alles können sollte, hatten wir nach den ersten paar Treffen genug, nur ob unsere Ideen überhaupt umsetzbar waren, das war noch die große Frage. Ein Prototyp der möglichst schon funktionsfähig ist, aber auch schnelle Änderungen sowohl an Hardware als auch an Software zulässt, musste her und das möglichst ohne viel Aufwand. Wie gut, dass wir noch ein paar Lego Bausteine, Zahnräder, Motoren, Sensoren und den guten alten programmierbaren RCX-Controller aus dem Lego Mindstorms-Set bei uns zu Hause gefunden haben. Dies ermöglichte uns innerhalb kürzester Zeit etwas Lauffähiges zusammen zu bauen und zu programmieren. Schon nach der ersten Woche war der Prototyp fertig! Sämtliche Spezifikationen waren erfüllt, und wir präsentierten unseren ersten Lötinator bei dem letzten kompletten M3-Praktikum-Treffen.  Aber: Ein Bild sagt mehr als tausend Worte, und ein Video sagt demnach mehr als 30.000 Worte pro Sekunde!

Diese simple Konstruktion zeigte uns Unmengen an neuen Fragen und Problemen auf, lieferte aber auch viele neue Erkenntnisse:

Zwei Pedale sind nicht ausreichend, wir werden mindestens drei, wenn nicht noch mehr benötigen. Das Umschalten bzw. Selektieren der Bewegungsachsen ist nicht sonderlich intuitiv und verbesserungswürdig. Die Pedale zum eigentlichen Bewegen funktionieren sehr gut, sollten aber einigermaßen stufenlos regelbar sein, und nicht nur eine Tasterfunktionalität haben. Wenn man das Pedal voll durchdrückt, sollte die Platte schneller drehen als beim leichten Antippen.

Die Achsen und örtlich nahe Drehpunkte zu konstruieren wird schwieriger als gedacht. Um eine angenehme und elegante Schwenkung durchzuführen, müssen beide Achsen (rechts/links und Vorne/Hinten) durch exakt den selben Punkt verlaufen, und dieser sollte sich auch der gleichen Höhe der Arbeitsplatte befinden, so dass sich der Mittelpunkt der Platte nicht im Raum bewegt. Alles andere würde ein Mitbewegen des Lötkolbens und -zinns bedeuten, was wir unbedingt vermeiden wollen.

Der Intel Galileo sollte vollkommen ausreichen um die drei Servos anzusteuern und die Daten aus den Pedalen auszulesen. Aber mit Sicherheit werden auch hier unerwartete Probleme auftreten, die einen zweiten Prototypen notwendig machen, der dieses Mal tatsächlich mit dem Galileo verbundene Servos benutzt.

Genau das wurde dann auch der Plan für die nächste Woche: Konstruktion eines zweiten Prototypen aus Holz und Metall, der schon sehr nahe am finalen Produkt orientiert sein soll. Dazu bekamen wir aus dem Fablab Materialien, Schrauben, Winkel und vier Servos samt Aufsätzen, einen kontinuierlichen 360° Servo zum Drehen der Arbeitsplatte bestellten wir selbst. Wir sind gespannt, was das Entwerfen des zweiten Prototypen für neue Herausforderungen birgt!

Die ersten Schritte…

Nachdem die Grundidee des Lötinator geklärt wurde, ging es nun an die Umsetzung. Im ersten Meeting stellten sich natürlich unzählbare Fragen, die grundsätzlichsten davon waren:

  • Welche Gestalt hat unser Lötinator? Ist es eine bewegliche Arbeitsplatte, ein schwenkbarer Arm, eine flexible „dritte Hand“? Wie praktisch sind diese jeweils?
  • Funktioniert die Steuerung über Fußpedale? Wie viele Pedale braucht man überhaupt? Sind diese auch so intuitiv bedienbar, dass sie kein Hindernis darstellen? Entwerfen wir die Pedale selber oder kaufen wir fertige Pedale? Übertragen wir ein analoges oder digitales (USB) Signal an den Intel Galileo? Wieviel Reverse Engineering benötigt ein fertiges Pedal mit digitalen Signalen?
  • Braucht man noch weitere Bedienmöglichkeiten neben den Pedalen wie einen kleinen Joystick, einen Drehknopf oder ähnliches?
  • Wie viele Bewegungsachsen machen Sinn, ab wann ist eine Achse unnötig? Wie werden die Achsen angeordnet? Was für Servos oder Motoren kommen in Frage, und wie schaffen wir es, die Drehpunkte der drei Achsen möglichst nahe beieinander zu halten?
  • Wie binden wir den Intel Galileo am besten an, wie setzen wir die Steuerung um? Was alles bietet uns der Microcontroller?
  • Schlussendlich noch: Wie verfahren wir mit dem Projektmanagement? Als kleines Team von fünf Mitgliedern ist dies nicht so problematisch, aber dennoch nicht zu unterschätzen.

All diese Fragen wurden lange diskutiert, Blöcke mit groben Entwurfszeichnungen vollgezeichnet, die dann doch wieder verworfen wurden. Als Projektmanagement-Tool wurde Slack ausgewählt, vollkommen ausreichend für unsere Ansprüche, denn es bietet die Möglichkeit zu diskutieren, schnell Informationen den gesamten Team zukommen zu lassen, aber auch Dateien und ähnliches hochzuladen. Als weiteres Vorgehen wurde beschlossen, einen simplen, funktionalen Lego-Prototypen zu konstruieren, um überhaupt die „Usability“ des Projektes zu testen. Der Prototyp sollte folgende Spezifikationen besitzen:

  • Eine um drei Achsen bewegliche, kleine Arbeitsplatte. Schwenkbar und kippbar.
  • Zwei Fußpedale zum Angeben der selektierten Achse. (Z.B. Nach rechts drehen und nach links drehen)
  • Ein Pedal oder Schalter zum Selektieren der zu bewegenden Achse (Z.B. eine der beiden Kippachsen).

Was bitte ist ein „Lötinator“?

Du lötest gerne kleinere Dinge, zum Beispiel elektrische Platinen und Schaltkreise? Du wünschst dir jedes Mal aufs Neue mehr als nur zwei Hände, um diesen einen Draht in der hinteren rechten Ecke zu verschieben, und gleichzeitig noch Lötkolben und -zinn anbringen? Dir sind „Dritte Hände“, Lötklemmen und Zangen zu statisch? Dann ist der Lötinator genau das Richtige für dich!

Er stellt dir eine komplett um drei Achsen frei bewegliche Arbeitsplatte mit diversen hilfreichen Aufsätzen zur Verfügung – alle steuerbar über Fußpedale, du musst nicht einmal das Lötzinn aus der Hand legen. Und falls du gerade doch eine Hand frei hast oder Feineinstellungen treffen willst: Ein Joystick und ein Drehregler machen das auch möglich. Die erste Achse erlaubt eine einfache Drehbewegung der Arbeitsplatte, auf der du deine Platine, Modell oder was auch immer du löten willst, festklemmen kannst. Die zweite und dritte Achse kippt die Arbeitsplatte in alle vier Raumrichtungen, so dass du an jeder verzwickten Stelle ohne Verrenkungen eine Lötstelle anbringen kannst.