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5.12.2016 Fachbereich 15, Institut für Antriebs- und Fahrzeugtechnik Lehrstuhl für Maschinenelemente und Tribologie Fachbereich 16, Elektrotechnik / Informatik Fachgebiet für Verteilte Systeme Prof. Dr.-Ing. Adrian Rienäcker Prof. Dr. Kurt Geihs Dipl.-Ing. Christian Skaley M.Sc. Stephan Opfer Maschinenbau Entwicklung und Konstruktion für einen Fußball-Roboter durch Antriebs- und Gewichtsoptimierung Yannick Schlamm Matr. Nr. 32207127 Bachelorarbeit Vorgelegt am Institute Prüfer Betreuer Studiengang

Entwicklung und Konstruktion für einen Fußball-Roboter

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5.12.2016

Fachbereich 15, Institut für Antriebs- und Fahrzeugtechnik

Lehrstuhl für Maschinenelemente und Tribologie

Fachbereich 16, Elektrotechnik / Informatik

Fachgebiet für Verteilte Systeme

Prof. Dr.-Ing. Adrian Rienäcker

Prof. Dr. Kurt Geihs

Dipl.-Ing. Christian Skaley

M.Sc. Stephan Opfer

Maschinenbau

Entwicklung und Konstruktion für einen Fußball-Roboter durch

Antriebs- und Gewichtsoptimierung

Yannick Schlamm Matr. Nr. 32207127

Bachelorarbeit

Vorgelegt am

Institute

Prüfer

Betreuer

Studiengang

II

III

Eidesstattliche Versicherung Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbständig und ohne fremde Hilfe

verfasst habe. Die verwendeten Hilfsmittel und Quellen sind vollständig angegeben.

Wörtlich übernommene Textstellen, Bilder und Zeichnungen sind in jedem Einzelfall

kenntlich gemacht worden.

Kassel, den 05.12.2016 ____________________________

(Yannick Schlamm)

IV

V

VI

Inhaltsverzeichnis

Symbolverzeichnis ................................................................................................................ VIII

1 Einleitung ............................................................................................................................ 1

2 Motivation und Problemdarstellung .................................................................................... 2

3 Grundlagen .......................................................................................................................... 3

3.1 Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff und Aluminium ........................................... 3

3.2 Finite Elemente Analyse ............................................................................................ 4

3.3 Verbindungen ............................................................................................................ 6

3.3.1 Nieten ............................................................................................................. 6

3.3.2 Schraubverbindung ........................................................................................ 7

3.3.3 Blindnietmutter .............................................................................................. 9

4 Stand der Technik ............................................................................................................. 11

4.1 Alter Torwart Carpe Noctem Cassel ........................................................................ 11

4.2 Torwart TU Eindhoven ............................................................................................ 13

5 Konzeptfindung ................................................................................................................. 14

5.1 Vorauswahl verschiedener Konzeptmöglichkeiten für das Grundgerüst ................ 14

5.1.1 Erste Idee ..................................................................................................... 14

5.1.2 Zweite Idee................................................................................................... 16

5.1.3 Vergleich der ersten und zweiten Idee ......................................................... 18

5.1.3.1 Ermittelung der Kraft .................................................................. 18

5.1.3.2 FEA ............................................................................................. 20

5.1.3.3 Auswahl der zweiten Idee ........................................................... 30

5.2 Auswahl der Verbindungen ..................................................................................... 31

5.3 Auswahl der Hauptrohre .......................................................................................... 31

5.4 Auswahl der Querrohre ............................................................................................ 33

6 Finale Konstruktion ........................................................................................................... 34

6.1 Parallelität ................................................................................................................ 35

6.1.1 Erste Variante............................................................................................... 36

6.1.2 Zweite Variante ............................................................................................ 36

VII

6.2 Positionierung des omnidirektionalen Kamerasystems ........................................... 37

6.3 Verbindung CFK-Rohre mit den Aluminiumrohren ............................................... 39

6.3.1 Querrohre ..................................................................................................... 39

6.3.2 Stützrohre ..................................................................................................... 39

6.4 Buchse ...................................................................................................................... 41

6.5 Verbindung der Hauptrohre zur Grundplatte ........................................................... 42

6.6 Außenhülle ............................................................................................................... 43

6.7 Sensoren ................................................................................................................... 44

6.7.1 Kamera ......................................................................................................... 44

6.7.2 Tiefenkamera ............................................................................................... 45

6.7.3 3D-Laser-Scammer ...................................................................................... 47

6.8 Verbindung Grundgerüst und Extensions ................................................................ 48

6.9 Montage ................................................................................................................... 50

6.10 Gewicht .................................................................................................................... 50

6.11 Veränderungsmöglichkeiten in Zukunft .................................................................. 51

6.12 Erreichbarkeit der Akkus und des Industrie-PCs ..................................................... 51

6.13 Kosten ...................................................................................................................... 52

7 Zusammenfassung und Ausblick ...................................................................................... 53

8 Literaturverzeichnis ........................................................................................................... 55

VIII

Symbolverzeichnis

Zeichen Bedeutung

𝑎 Abbremsung des Balles

𝐷𝑎 Außendurchmesser

𝐷𝑖 Innendurchmesser

𝐹 Kraft

g Gramm

𝑔/𝑐𝑚3 Einheit für die Dichte

I Flächenträgheitsmoment

𝑀𝑃𝑎 Megapascal, Einheit für Spannung und Druck, 1 MPa = 1 N/mm2

𝑚 Masse des Balles

mm Millimeter

N Newton

𝑁/𝑚𝑚2 Einheit für mechanische Spannung

t Zeit des Aufpralls

𝑣1 Geschwindigkeit des Balles nach dem Aufprall

𝑣2 Geschwindigkeit des Balles vor dem Aufprall

W Widerstandsmoment

Einleitung 1

1 Einleitung

Die „RobocCup Research Foundation“ trägt seit 1997 jährlich Wettkämpfe für Roboter aus.

Seit 2005 nimmt das Team „Carpe Noctem Cassel“, von der Universität Kassel, regelmäßig an

Turnieren der Robocup Middle Size League teil. Bei dem am Fußball angelehnten Spiel treten

jeweils 4 Feldspieler und 1 Torwart gegeneinander an. Die Regeln orientieren sich an den Re-

geln der „Fédération Internationale de Football Association“ (abgekürzt: FIFA), allerdings sind

sie für das Spiel der Roboter angepasst (vgl. Abbildung 1).

Für das Team der Universität Kassel soll ein neuer Torwart konstruiert werden, welcher robus-

ter und leichter ist, als der in die Jahre gekommene alte Torwart. Da die Konstruktion eines

neuen Torwarts sehr umfangreich ist, wurde dies auf mehrere Arbeiten aufgeteilt. Die vorlie-

gende Arbeit beschäftigt sich mit dem Grundgerüst des Roboters. Das Grundgerüst soll zum

einen das Innere des Torwartes schützen und zum anderen die in einer Vorarbeit erstellten Ex-

tensions mit dem Rest des Roboters verbinden [3]. Zudem benötigt der Roboter noch eine Au-

ßenhülle für den unteren Teil und Montagesmöglichkeiten für mehrere Sensoren.

Die vorliegende Arbeit ist in sieben Kapitel aufgegliedert. In den ersten zwei Kapiteln befinden

sich die Einleitung, die Motivation und die Problemdarstellung. Das dritte Kapitel widmet sich

den Grundlagen, welche für das Verständnis der Arbeit notwendig sind. Anschließend thema-

tisiert das vierte Kapitel den aktuellen Stand der Technik. Schließlich werden im fünften Kapi-

tel die zwei Hauptkonzepte vorgestellt und analysiert.

Das sechste Kapitel befasst sich mit der finalen Konstruktion und den eingebauten Komponen-

ten. Im letzten Kapitel befindet sich noch eine Zusammenfassung und der Ausblick.

Abbildung 1: RoboCup Match [23]

Motivation und Problemdarstellung 2

2 Motivation und Problemdarstellung

Die Grundlage des Torwartroboters ist das Grundgerüst, das die verschiedenen Ebenen verbin-

det und den Innenraum des Torwarts schützt. Bei einem instabilen Grundgerüst könnte ein

Schuss den Ausfall des Roboters für das restliche Turnier bedeuten, da kein Ersatztorwart exis-

tiert. Falls das Grundgerüst zu schwer konstruiert wird, ist der Roboter langsam und das Team

der Universität Kassel kann nicht mit den anderen Teams mithalten. Dies verdeutlicht zum ei-

nen, wie wichtig diese Arbeit für das Gesamtprojekt ist und zum anderen, wie hoch die gefor-

derte Komplexität ist. Die Aufgabe erfordert ein hohes Maß an Kreativität und ermöglichst

viele unterschiedliche Herangehensweisen.

Aufgrund der Tatsache, dass der jetztige Torwart in seiner aktuellen Version erhebliche Mängel

aufweist und seit längerem nicht mehr mit den Spitzenteams mithalten kann, muss der Torwart

von Grund auf neu konstruiert werden. Die Mängel sind z.B. der pneumatische Schussmecha-

nismus, die langsamen Motoren und ein zu hoher Schwerpunkt.

Bei der Konstruktion des Grundgerüstes ist der wichtigste Aspekt, eine hohe Stabilität mit we-

nig Gewicht zu erreichen. Daneben sind noch weitere Punkte von Bedeutung, wie eine einfache

Montage, geringe Kosten oder eine hohe Langlebigkeit mit Veränderungsmöglichkeiten. Wich-

tige Komponenten, wie der Industrie PC oder die Akkus, müssen außerdem leicht erreichbar,

und zugleich gut geschützt, sein. Andere Komponenten, wie die Sensoren, dürfen bei einschla-

genden Bällen nicht ihre Position verändern und müssen daher besonders gut geschützt und

fixiert sein.

Neben dem Schutz des Innenraums, besitzt das Grundgerüst noch eine andere Aufgabe: Es dient

als Verbindung zwischen der Antriebsebene und den Extensions. Auf Grund der empfindlichen

linearen Bewegung der Extensions müssen diese sehr exakt ausgerichtet werden.

Außerdem muss darauf geachtet werden, dass der Torwartroboter zu jeder Zeit die RoboCup

Regeln einhält.

Durch die komplizierten dynamischen Krafteinwirkungen ist es eine große Herausforderung,

ein Grundgerüst zu entwickeln, das so stabil wie nötig und so leicht wie möglich ist.

Grundlagen 3

3 Grundlagen

Das folgende Kapitel beschreibt die Grundlagen, die für die Erstellung dieser Arbeit notwendig

sind.

3.1 Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff und Aluminium

Aluminium ist heutzutage nach Stahl das am häufigsten verwendete Metall. Durch die vielen

vorteilhaften Eigenschaften des Aluminiums hat sich seine Bedeutung in der Wirtschaft in den

letzten Jahrzehnten immer mehr vergrößert. Neben seiner wichtigsten Eigenschaft, der gerin-

geren Dichte von ca. 2.7 𝑔

𝑐𝑚3, bietet es mehrere Vorteile, wie günstige Festigkeitseigenschaften,

gute Umformbarkeit und Spanbarkeit und vieles mehr.

Die Zugfestigkeit bei Aluminiumlegierungen beträgt zwischen 200 MPa und 450 MPa und

hängt stark von den verschiedenen Legierungen ab [2]. Die Zugfestigkeit gibt die maximale

mechanische Zugspannung an, die bei einem Zugversuch auftritt.

Beim kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (im folgenden als CFK bezeichnet) werden in das

Grundmaterial, das aus Kunststoff besteht, Kohlenstofffasern als Verstärkung eingebettet.

Dadurch entstehen sehr hohe Festigkeiten und Steifigkeiten, trotz einer geringen Dichte von 1.5

𝑔

𝑐𝑚3 Die Zugfestigkeit beträgt ca. 900 MPA und ist somit, wesentlich höher als bei Aluminium.

Außerdem ist Dehnung vollelastisch, wodurch eine plastische Verformung nicht möglich ist.

Die Ermündungsbeständigkeit und Vibrationsdfämpung sind ebenfalls besser, als bei vielen

anderen Mettalen [3]. Auf Grund der aufgeführten Eigenschaften befinden sich die typischen

Anwedungsbereiche von CFK unter anderem im Automobilbereich, im Rennsport, in der Luft-

und Raumfahrtechnik und auch in der Robotik.

Ein großer Unterschied von CFK zu Metallen ist, dass es ein anisotropes Werkstoffverhalten

besitzt. Das heißt, dass die physikalischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften, an-

ders als zum Beispiel bei Aluminium, richtungsabhängig sind. Dadurch dass die Festigkeit bei

CFK von der Ausrichtung der Fasern und der Richtung der einwirkenden Kraft abhängig ist,

lassen sich nur schlecht Aussagen über die Streckgrenze treffen. Beim Konstruieren ist unbe-

dingt drauf zu achten, dass eine günstige Belastung der Fasern erfolgt, um so eine möglichst

hohe Festigkeit zu erlangen. Außerdem sollte von Bohrungen in CFK-Bauteile abgesehen wer-

den, da dies eine Beschädigung der Fasern zu Folge haben kann. Stattdessen sollten CFK Bau-

teile verklebt werden.

Grundlagen 4

3.2 Finite Elemente Analyse

Für die Konstruktion der Halterungen wurde wie bei der Semesterarbeit „Entwicklung und

Konstruktion mechatronisch ausfahrbarer Arme für einen Torwart-Roboter“ SolidWorks 2015

verwendet. Nähere Informationen zu Solidworks sind in dieser Arbeit zu finden [3].

Für die Auswahl der passenden Variante wurde eine Finite Elemente Analyse (im Folgenden

FEA genannt) durchgeführt. Bei der FEA wird der Festkörper in endlich viele Teilkörper un-

terteilt. Diese Teilkörper haben eine einfache Geometrie und heißen Finite Elemente. Aufgrund

der einfachen Geometrie kann das physikalische Verhalten dieser Teilkörper leicht berechnet

werden. Das mathematische Verfahren, welches dahintersteckt, heißt Finite-Elemente-Methode

[4].

Die FEA kann in vier Teile unterteilt werden. Als erstes wird ein Analysemodell erstellt. Bei

diesem Schritt wird das zu analysierende Bauteil vereinfacht, indem für die Simulation unwe-

sentliche Bauteile oder Geometrien unterdrückt oder entfernt werden. Dies ist zwar nicht zwin-

gend notwendig, allerdings verkürtzt es die Rechenzeit. Es kann ebenfalls erheblich Rechenzeit

gespart werden, indem die Modellsymmetrie ausgenutzt wird. Dabei kann die symmetrische

Geometrie halbiert oder sogar geviertelt werden, wobei sich trotzdem Aussagen zum Gesamt-

modell machen lassen.

Nach dem Erstellen des Analysemodells wird diesem das verwendete Material zugewiesen. Es

kann sich dabei um isotrope oder orthotrope Materialien handeln (vgl. 3.1). Allerdings sind

Berechnungen mit orthotropen Materialen komplexer und die Materialorientierung ist zu ber-

rücksichtigen. Für die Simulation müssen ebenfalls verschiedene Rahmenbedingungen festge-

legt werden. Dazu gehören z.B. Kräfte, Momente, Beschleunigungen oder Fixierungen, also an

welchen Punkten das Bauteil fixiert ist (vgl Abbildung 2). Die grünen Pfeile zeigen die Fixie-

rungen und die lila Pfeile zeigen die Kräfte an. Als nächstes wird ein Netz aus den Finiten

Elementen und Knoten erstellt, dies erfolgt meist automatisch durch die Software. Bei So-

lidWorks kann zwischen einem groben (vgl. Abbildung 2 links) und einem feinen (vgl. Abbil-

dung 2 rechts) Netz unterschieden werden. Das feinere Netz benötigt mehr Rechenzeit, liefert

dafür aber exaktere Ergebnisse.

Abbildung 2: Grobes Netz ( links), feines Netz (rechts)

Grundlagen 5

Nachdem das Netz erstellt wurde, kann die Analyse gestartet werden. Dies ist der zweite

Schritt. Die Rechenzeit kann zwischen wenigen Sekunden bis mehrere Tage dauern, je nach

Komplexität des Modells und der Rechenleistung des Computers.

Beim dritten Schritt wird die Analyse ausgewertet. Die Analyseergebnisse (z.B. Verformung

oder Spannung) werden meist als Farbflächenplots dargestellt (vgl. Abbildung 3).

Meistens wird eine FEA durchgeführt, um Schwachstellen in einer Konstruktion

aufzuspüren, oder aber auch zur Gewichtoptimierung. Daher werden beim letzten Schritt die

Schwachstellen ausgebessert oder das Gewicht der Konstruktion reduziert.

Bei der FEA muss allerdings darauf geachtet werden, dass keine Singularitäten auftreten. Diese

können auftreten, wenn das Netz an der Stelle der Singularität nur aus Dreiecken bzw. Tetrae-

dern mit spitzem Winkel besteht. Dadurch entsteht an diesen Stellen eine sehr hohe Spannung,

welche in der Realität so nicht vorhanden ist. Bei den Farbflächenplots sind die Singularitäten

gut erkennbar, da die Spannung bei einem kleinen Punkt sehr hoch ist, bei der Umgebung sie

aber wesentlich kleiner ist. Durch die Erstellung eines gröberen Netzes oder der Modellierung

einer Kerbe können Singularitäten verhindert werden [5], allerdings sind keine während der

FEM-Berechnungen für diese Arbeit aufgetreten.

Abbildung 3: Farbflächenplot einer FEM-Berechnung

Grundlagen 6

3.3 Verbindungen

Dieses Unterkapitel beschäftigt sich mit möglichen Verbindungen zwischen Quadratrohren,

Blechen und Winkeln.

3.3.1 Nieten

Nieten ist ein formschlüssiges Fügeverfahren, welches nur durch Zerstörung der Nieten wieder

gelöst werden kann. Besonders beim Flugzeugbau oder beim Leichtbau findet es eine große

Verwendung.

Es gibt verschiedene Formen des Nietens: Das Blindnieten eignen sich besonders, wenn die

Nietverbindung nur von einer Stelle zugänglich ist. Die Blindniet besteht aus einem Nietdorn

(1) und einer Niethülse (2) (vgl. Abbildung 4 links). Der herausragende Teil der Niete wird als

sogennanter Nietdornkopf (5) bezeichnet. Der Nietdorn besitzt eine Sollbruchstelle (3), wo der

Dorn abreissen soll. Die Niethülse (2) ist je nach der Materialstärke der Bauteile, welche ver-

klemmt werden, unterschiedlich lang. Die Verbindung von der Niethülse zur Oberfläche des

Bauteils wird als Setzkopf (4) bezeichnet.

Als erstes wird beim Blindnieten der Nietdorn in das Mundstück der Nietzange eingeführt und

dann wird die Blindniete in ein vorgebohrtes Loch eingesetzt (vgl. Abbildung 4 rechts). Durch

Drücken der Nietzange greifen die Futterbacken den Nietdorn (a).

Durch weiteres Drücken der Nietzange wird der Nietdorn nach oben gezogen, wodurch der

Nietdornkopf die Niethülse verformt und somit die Bauteile zusammenpresst.

Durch weitere Krafteinwirkung wird die Verbindung stabiler und der Dorn bricht an der Soll-

bruchstelle. Damit ist die Blindnietverbindung fertig (c).

Abbildung 4: Aufbau einer Blindniete (links) und Vorgehensweise des Blindnietens

(rechts) [6]

Grundlagen 7

Der größte Vorteil des Blindnietens ist, dass nur eine Seite des Bauteiles zugänglich sein muss,

daher lassen sich zum Beispiel hervorragend Verbindungen mit einem Rohr herstellen. Dadurch

dass das Rohr nur von einer Seite aufgebohrt werden muss, verringert sich die Stabilität des

Rohres nur leicht. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Bauteile nicht erhitzt werden, wodurch kein

Verzug entsteht, wie zum Beispiel beim Schweißen.

Zusätzlich hat das Nieten eine hohe Vibrationsbeständigkei. Dies ist besonders für den Roboter

wichtig, da die Vergangenheit gezeigt hat, dass sich Schraubverbindungen durch die auftrete-

nen Vibrationen lösen können.

Durch das Fehlen einer Mutter sind Nietenverbindungen leichter und preisgünstiger als

Schraubverbindungen.

Der größte Nachteil des Nietens ist es, dass es die Nachbearbeitung und Reparatur erschwert,

da es nur durch Aufbohren wieder gelöst werden kann. Aufgrund der Tatsache, dass es sich

beim Nieten um eine Formverbindung handelt, ist die Klemmkraft relativ gering [7].

3.3.2 Schraubverbindung

Die Schraubverbindung ist im Gegensatz zum Nieten eine kraftschlüssige Verbindung. Es gibt

drei Möglichkeiten, Schraubverbindungen zu realisieren: Mit der Durchsteckschraube, mit der

Einziehschraube oder mit der Stiftschraube (vgl. Abbildung 5).

Abbildung 5: Durchsteckschraube (links), Einziehschraube (mitte) und Stiftschraube

(rechts) [8]

Für das Verbinden von Blechen und Rohren eignen sich nur Durchsteckschrauben, weil bei den

anderen Varianten ein Gewinde gebohrt werden müsste. Dafür ist die Wandstärke des Bleches

oder des Rohres zu gering.

Um eine solche Verbindung herzustellen, muss als erstes ein Durchgangsloch gebohrt, danach

die Schraube eingesteckt und dann mit der Mutter festgezogen werden.

Grundlagen 8

Schrauben haben verschiedene Festigkeitsklassen, welche die Zugfestigkeit und die Streck-

grenze angeben. Am häufigsten wird in der Industrie die Festigkeitsklasse 8.8 verwendet.

Da es beim Roboter auf eine hohe Stabilität bei möglichst kleinen Schrauben ankommt, sollte

unbedingt auf eine hohe Festigkeitsklasse geachtet werden.

Für das Verbinden der Hauptrohre mit den Blechen oder Winkeln bestehen zwei Möglichkei-

ten: Zum einen kann der Schraubenkopf in das Quadratrohr gesteckt werden und auf der Blech-

bzw. Winkelseite wird die Mutter befestigt (vgl. Abbildung 6 links).

Zum anderen wäre es möglich, dass der Schraubenkopf an der Außenseite des Quadratrohres

anliegt und die Schraube komplett durch das Quadratrohr geht. Die Mutter wäre wieder auf der

Blech bzw. Winkelseite fixiert (vgl. Abbildung 6 rechts).

Der Nachteil der ersten Möglichkeit ist, dass auf der einen Seite des Rohres ein etwa 4 mm

größeres Loch gebohrt werden müsste, damit der Schraubenkopf dort hineinpasst. Dies mindert

die Stabilität des Rohres. Der Vorteil wäre, dass die Klemmkraft direkt zwischen dem Blech

bzw. Winkel und der anliegenden Seite des Rohres herrscht.

Bei der zweiten Möglichkeit wäre der große Vorteil, dass keine größere Bohrung für den

Schraubenkopf notwendig ist, es wären lediglich zwei Durchgangsbohrungen nötig. Dies würde

die Stabilität wesentlich weniger beeinflussen. Allerdings wird die Klemmkraft über das ganze

Rohr übertragen, dies wäre ein großer Nachteil, da so das Rohr stark geklemmt wird.

Der größte Vorteil einer Schraubverbindung ist die einfache Montage und Demontage, dies

wäre bei eventuellen Beschädigungen des Roboters hilfreich. Ein weiterer Vorteil ist die höhere

Klemmkraft als beim Nieten.

Abbildung 6: erste Möglichkeit ( links) und zweite Möglichkeit (rechts)

Grundlagen 9

Zu den Nachteilen zählt dagegen, dass die Bohrungen die Stabilität des Rohres erheblich ver-

ringern. Außerdem sind Schraubverbindungen nicht vibrationsbeständig. Allerdings lässt sich

dies mit Schraubenkleber oder Keilsicherungsscheiben verbessern.

3.3.3 Blindnietmutter

Eine dritte Variante wäre das Verbinden mit Blindnietmuttern. Dabei handelt es sich um ein-

teilige Gewindehohlnieten, welche von einer Seite “blind” gesetzt werden.

Blindnietmuttern werden vor allem dazu verwendet, belastbare Gewinde in dünnwandigen Ma-

terialien oder Hohlprofilen zu erzeugen. Ähnlich wie beim normalen Blindnieten wird die

Blindnietmutter mit einem Setzgerät in das Bauteil gesetzt. Dabei bildet sich die sogenannte

Schließwulst, welche die Mutter fixiert (vgl. Abbildung 7).

Für verschiedene Einsatzgebiete gibt es auch verschiedene Blindnietmuttern. Für den Torwart

sind zwei Varianten denkbar: Zum einem die Standard Blindnietmutter und einmal die High

Torque Blindnietmutter, welche ein höheres Drehmoment übertragen kann.

Die Standard Blindnietmuttern lassen sich mit normalem Nietwerkzeug montieren, im Gegen-

satz zu den High Torque Blindnietmuttern, für welche in der Regel teures Spezialwerkzeug

nötig ist [10]. Allerdings lassen sie sich auch per Hand einbauen, dies ist zwar die umständliche,

aber wesentlich günstigere Methode. Bei dieser wird die Blindnietmutter in das Loch eingesetzt

und eine Schraube mit einer Hülse wird in die Mutter eingedreht. Die Hülse sollte sich zwischen

dem Schraubenkopf und dem Kopf der Blindnietmutter befinden. Sobald der Schraubenkopf

Abbildung 7: Vorgehensweise des Setzens einer Blindnietmutter [9]

Grundlagen 10

die Hülse gegen die Blindnietmutter drückt, wird diese durch weiteres drehen der Schraube

nach oben gezogen und so gestaucht, dadurch entsteht die Schließwulst (vgl. Abbildung 8).

Diese Methode sollte unbedingt getestet werden, bevor sie zum Einsatz kommt.

Der große Vorteil der Blindnietmuttern ist, dass es die beiden Vorteile der Schraubverbindun-

gen und des Blindnieten verbindet. Es wird nur eine Bohrung benötigt und trotzdem ist eine

einfache Demontage gegeben.

Der einzige Nachteil ist, dass es ein zeitintensives Verfahren ist, falls kein Spezialwerkzeug zur

Verfügung steht.

Abbildung 8: Blindnietmuttern per Hand setzen

Stand der Technik 11

4 Stand der Technik

Das nachfolgende Kapitel beschäftigt sich mit dem Stand der Technik. Es wird zuerst auf den

alten Torwart des Teams „Carpe Noctem Cassel“ eingegangen. Anschließend wird kurz der

Torwart des Teams „TU Eindhoven“ vorgestellt, da dieser einer der besten der Liga ist.

4.1 Alter Torwart Carpe Noctem Cassel

Der alte Torwart wird bereits seit zehn Jahren verwendet (vgl. Abbildung 9). Er wurde zwar

des Öfteren überarbeitet, allerdings wurde, im Gegensatz zu den Feldspielern, nie ein neuer

Prototyp gebaut. Der neue Torwart wird komplett anders aufgebaut sein als der alte. Das obere

Grundgerüst des Roboters besteht aus drei Titan-Streben. Diese fixieren sowohl die 360° Ka-

mera, als auch eine Kunststoffplatte, auf welcher sich eine Tiefenkamera befindet.

Zudem schützen die Titan-Streben noch das Innere des Roboters. Da der Abstand zwischen den

Titan-Streben mit ca. 300 mm relativ groß ist, wurde noch eine Kunststoffplatte angebracht, um

zu verhindern, dass der Ball zwischen den Streben durchfliegt.

Abbildung 9: Vorderansicht des alten Torwarts des Teams

„Carpe Noctem Cassel“

Stand der Technik 12

Die Extensions sind über Quadratrohre mit der Grundplatte verbunden und oben mit der Kunst-

stoffplatte verschraubt. Da diese Konstruktion allerdings zu instabil war, wurde sie noch not-

dürftig mit Wäscheleinen, Kabelbindern und Spannschrauben fixiert (vgl. Abbildung 10).

Dadurch dass die Extensions keine Lager oder Elektronik besitzen, muss lediglich die Luft-

druckzylinder geschützt werden. Diese wurde mit einem Blech, welches an ein Rohr der Ex-

tensions geschraubt wurde, geschützt.

Abbildung 10: Vorderansicht der Extensions ( links) und Hinteransicht der Extension

(rechts)

Stand der Technik 13

4.2 Torwart TU Eindhoven

Einer der besten Torwarte in der Liga ist der Torwart des Teams „Tech United Eindhoven“

(vgl. Abbildung 11). Das Grundgerüst besteht aus Aluminiumrohren und -stangen, die unterei-

nander verbunden sind. Da alle Bauteile mittig sitzen, ist das Grundgerüst des Torwarts relativ

schmal. Lediglich die Tiefenkameras müssen auf Grund ihrer Position zusätzlich geschützt wer-

den. Beide Kameras befinden sich in einem Gehäuse und sind so vor Balltreffern ausreichend

geschützt. Der gesamte Roboter ist robust und äußerst wartungsarm.

. Abbildung 11: Torwart des Teams „TU Eindhoven“

Konzeptfindung 14

5 Konzeptfindung

Das folgende Kapitel erörtert und analysiert die verschiedenen entwickelten Konzepte.

5.1 Vorauswahl verschiedener Konzeptmöglichkeiten für das Grundgerüst

Für das Grundgerüst kommt entweder eine Konstruktion aus Blechen oder aus Rohren in Frage.

Die Blechvariante wäre wahrscheinlich die stabilere und schwerere Konstruktion, wohingegen

die Rohrvariante leichter und instabiler wäre. Bei der Rohrvariante wurde auf Grund der gerin-

gen Dichte auf CFK-Rohre gesetzt. Die Bleche könnten aus Aluminium oder CFK gefertigt

werden, beide Werkstoffe hätten ihre Vor- und Nachteile.

5.1.1 Erste Idee

Die erste Idee besteht darin, dass das Grundgerüst des Roboters aus zwei 3 Millimeter dicken

Aluminium-Blechen besteht (vgl. Abbildung 12).

Abbildung 12: Erste Idee

Konzeptfindung 15

Meistens trifft der Ball von Vorne auf den Roboter. Dadurch, dass das Blech bis weit nach

hinten fixiert ist, ist besonders bei dieser Krafteinwirkung eine hohe Festigkeit gegeben und

zudem ist es gut zu montieren. Die zwei Hauptbleche sind mit der Montageplatte des Roboters

verschweißt. Eine andere Variante wäre, die zwei Bleche und die Montageplatte aus einem

Stück zu fertigen und dieses anschließend zu biegen. Diese Variante würde eine höhere Festig-

keit bringen. Der Rest der Bleche oder Winkel sollen mit den Hauptblechen verschweißt wer-

den, um so das Gewicht für die Verbindungen zu sparen.

Außerdem sind die Bleche mehrfach untereinander verbunden, wodurch die Stabilität erhöht

wird. Unter anderem ist die Linearführung für die seitliche Extension an beide Bleche montiert.

Darüber hinaus sind noch verschiedene kleinere und ein größeres Blech zwischen den Haupt-

blechen verbaut. Da die Bleche 320 mm voneinander entfernt sind, könnte der Ball, der einen

Durchmesser von 220 mm hat, das Innere des Roboters treffen und dort wichtige Komponenten

zerstören. Aus diesem Grund wurden kleine Winkel verbaut, damit diese den Ball aufhalten.

Da der Ball häufig von unten auf den Roboter trifft, wurden Winkel anstatt Flachstangen ver-

baut, um eine höhere Steifigkeit in dieser Richtung zu erzielen. Der obere größere Winkel hat

noch die Aufgabe, die Kamera zu halten. Dieser Winkel ist etwas nach vorne gesetzt, damit der

Ball nicht die Kamera trifft. Die Kamera würde zwar einen Schuss aushalten, allerdings würde

durch den erzeugten Moment der Winkel stärker belastet werden, als wenn er direkt getroffen

wird.

Die zwei unteren Bleche, welche wie ein „X“ angeordnet sind, haben neben der Aufgabe, den

Ball aufzuhalten, noch eine andere Aufgabe. Sie sollen als Stütze dienen und so die Hauptble-

che für eine seitliche Krafteinwirkung stärken. Ohne dieses „X“ wären die Hauptbleche nur

unten fixiert und miteinander verbunden. Dadurch würden sie sich bei einer seitlichen Belas-

tung stark biegen und womöglich brechen.

Da der Abstand zwischen dem Hauptblech und dem CFK-Rohr der seitlichen Extensions noch

zu groß ist, um zu gewährleisten, dass kein Ball die Linearführung oder die Lager trifft, wurden

kleine Dreiecke ans Hauptblech gebaut. Diese sollen die Lager und die Linearführung schützen.

Die zahlreichen Löcher in den Hauptblechen dienen lediglich dem Zweck, das Gewicht zu op-

timieren. Diese Idee hat zwar ein höheres Gewicht, aber zeichnet sich durch eine einfachere

Montage aus und macht zudem einen stabilieren Eindruck.

Konzeptfindung 16

5.1.2 Zweite Idee

Die zweite Idee besteht aus einer CFK-Rohrkonstruktion (vgl. Abbildung 13).

Durch eine Vernetzung von mehreren Rohren entsteht ein solides Grundgerüst, an dem die Ex-

tensions und die Sensoren montiert werden können. Allerdings ist es schwer, die Festigkeit der

Konstruktion festzustellen, da CFK ein anisotropes Werkstoffverhalten hat (vgl 3.1). Besonders

Biegung und die daraus resultierende Stauchung und Streckung des Materials verkraftet CFK

schlechter als Aluminium. Bei pultrudierten CFK-Rohren sind die Fasern alle in eine Richtung

ausgelegt, daher eignen sich diese Rohre nicht für eine Biegung, welche bei einem Schuss auf-

treten würde [11]. Besser eignen sich gewickelte CFK-Rohre. Da die Fasern dort mehrfach

gewickelt sind, können sie die Kräfte aus mehreren Richtungen besser aufnehmen und reagieren

daher auch besser auf Biegung und die daraus resultierende Stauchung oder Streckung [11].

Die Überlegung war, Rundrohre zu verwenden, allerdings wäre die Verbindung noch kompli-

zierter gewesen. Es müssen einmal die Rohre untereinander verbunden werden und einmal die

Rohre mit dem Rest des Roboters. Eine Überlegung war auch, die gleichen T-Verbinder [12]

wie bei den Extensions zu verbauen, da diese im Gegensatz zu einer Schraubverbindung die

Abbildung 13: Zweite Idee

Konzeptfindung 17

Festigkeit des Rohres nicht verringern. Allerdings sind viele Verbindungen nötig, wodurch es

teuer wäre, die T-Verbinder zu verbauen. Aus diesem Grund wurden die CFK-Quadratrohre

gewählt. Diese sind zwar teurer, doch der höhere Preis ist vertretbar, da die Montierbarkeit

wesentlich einfacher ist.

Die Verbindungen könnten theoretisch mit Schraubverbindungen gelöst werden. Allerdings

würden die Quadratrohre durch die Bohrungen stark geschwächt werden und das CFK würde

an Steifigkeit verlieren. Daher wäre die beste Lösung, die CFK-Quadratrohre zu verkleben.

Hierbei sollten die CFK-Quadratrohre nicht direkt miteinander verklebt werden, sondern erst

mit Aluminium.

Die Konstruktion besteht aus sechs Hauptrohren. Zwei Hauptrohre befinden sich jeweils an der

Seite und zwei in der Mitter der Vorderseite. Die zwei seitlichen Rohre fixieren jeweils die

Lager der Extensions und sind somit untereinander auch noch einmal verbunden. Außerdem

fixieren sie noch die Linearführung der seitlichen Extensions, somit sind alle vier seitlichen

Rohre noch einmal untereinander verbunden.

Die zwei Hauptrohre in der Mitte müssen zum einen die Bälle aufhalten, welche von vorne

mittig auf den Roboter treffen, als auch die Kamera fixieren. Die Rohre werden von anderen

Rohren noch von hinten gestützt, um dem Ball standzuhalten. Außerdem sind sind noch über

ein kleineres CFK-Quadratrohr mit den seitlichen Rohren verbunden, dadurch erhöht sich die

Festigkeit der gesamten Konstruktion

Auf der Rückseite wurden keine zwei Hauptrohre eingeplant, um das Gewicht gering zu halten.

Aufgrund der Tatsache das nur abprallende Bälle auf die Rückseite des Roboters treffen, wurde

diese bewusst schwächer konstruiert, um Gewicht zu sparen. Dort wurden drei Rohre quer ver-

baut und mit den seitlichen Rohren verbunden.

Anstatt CFK-Rohre zu verwenden, könnten alternativ auch Aluminium-Rohre verbaut werden.

Dies würde zwar das Gewicht um ca. 900 Gramm erhöhen, allerdings würde es die Montage

vereinfachen und je nach Art der Beanspruchung auch die Stabilität.

Konzeptfindung 18

5.1.3 Vergleich der ersten und zweiten Idee

Jede der beiden Ideen hat seine Stärken und Schwächen. Die erste Idee macht zwar den stabi-

leren Eindruck, ist allerdings mit 3082 g fast doppelt so schwer wie die zweite Idee, die nur

1556 g wiegt. Um das Gewicht bei der ersten Idee zu reduzieren, könnten auch CFK-Bleche

anstatt Aluminium-Bleche verwendet werden.

Die Montage ist bei der ersten Idee wesentlich einfacher als bei der zweiten Idee, da die CFK-

Rohre nicht verschraubt werden können. Außerdem wären die Materialkosten bei der ersten

Idee auch deutlich geringer. Die zwei Hauptbleche würden 65 € kosten, wohingegen alle CFK-

Rohre ca. 420 € kosten würden. Durch die Verwendung von Aluminiumrohren würde der Preis

deutlich fallen und die Rohre würden nur noch ca. 50 € kosten. Die Montierbarkeit wäre zwar

besser, allerdings immer noch nicht so gut wie bei der ersten Idee. Dafür läge der Gewichtvor-

teil nur noch bei ca. 600 g.

Da es schwer ist, eine Konstruktion in der Stabilität einzuschätzen, wurden FEAs durchgeführt,

um diese vergleichen zu können.

5.1.3.1 Ermittelung der Kraft

Als erstes wurde versucht die Kraft 𝐹 zu ermitteln, welche auftritt, wenn ein Fußball den Ro-

boter trifft. Dies stellte sich allerdings als ziemlich schwer heraus. Die Masse 𝑚 eines Fußballes

und die Geschwindigkeit 𝑣2, mit welcher der Ball auf den Roboter trifft, sind bekannt. Aller-

dings ist weder die Geschwindigkeit 𝑣1, welche der Ball nach dem Aufprallen hat, noch die

Zeit ∆𝑡, welche die Dauer des Aufprallens beschreibt, bekannt. Die Zeit hängt von vielen Fak-

toren ab, wie zum Beispiel vom Luftdruck des Balles, vom Ort des Aufprallens oder der Flexi-

bilität des Roboters. Mit diesen ganzen Faktoren, welche zum Teil nicht berechnet werden kön-

nen, ist es unmöglich eine genaue Zeitangabe zu errechnen.

𝐹 = 𝑚 × 𝑎 (1)

𝑎 =∆𝑣

∆𝑡=

𝑣2−𝑣1

∆𝑡 (2)

Es wurde versucht, die Zeit mit einer GoPro Kamera zu ermitteln, welche 240 Bilder in der

Sekunde aufnehmen kann. Allerdings reicht diese Bildfrequenz nicht aus, um die Zeit delta zu

ermitteln, da diese sich im unteren Millisekundenbereich bewegt (vgl. Abbildung 14). Mit einer

richtigen Highspeed-Kamera wäre es zum Beispiel möglich, die Zeit Differenz für den alten

Roboter zu ermitteln.

Konzeptfindung 19

Eine andere Idee ist es, die Kraft mit einem sogenannten Schlagmesser zu messen (vgl. Abbil-

dung 15). Mit dieser Messvorrichtung wird normalerweise die Schlagkraft eines Boxers ermit-

telt. Auf die Platte, welche zum Messen genutzt wird, können verschiedene Schaumstoffmatten

montiert werden. Die Kraft ist stark davon abhängig, wie dick diese Matten sind. Um eine Kraft

zu ermitteln, welche beim Roboter auftritt, müsste die Matte die Flexibilität des Roboters si-

mulieren. Allerdings ist es unmöglich, einen genauen Zusammenhang zwischen dem Roboter

und der Matte herzustellen. Daher wurde die Option ebenfalls nicht in Betracht gezogen.

Abbildung 14: GoPro Aufnahme

Abbildung 15: Schlagmesser

[13]

Konzeptfindung 20

Es kann also keine Kraft mit einem angemessenen Aufwand ermittelt werden. Allerdings ist zu

beachten, dass eine ermittelte Kraft zwar einen besseren Überblick über die Beanspruchung der

Konstruktion geben würde, diese aber nicht direkt für die FEA benötigt wird. Die mögliche

Kraft wäre wahrscheinlich zwischen 5 kN und 10 kN. Dies ist zwar hoch, allerdings wirkt diese

Kraft nur wenige Millisekunden. In der FEA wird aber mit statischen Kräften gerechnet. Es ist

zwar theoretisch möglich, mit dynamischen Kräften zu rechnen, doch dies ist äußerst kompli-

ziert und die Ergebnisse sind oft nicht korrekt.

5.1.3.2 FEA

Da die Belastungen, welche durch einen Schuss auftreten, relativ komplex sind, kann eine FEA

keine genauen Aussagen darüber treffen, ob die Konstruktion einem Schuss mit einer bestimm-

ten Geschwindigkeit standhält. Dies ist von zu vielen Faktoren abhängig. Ein sehr wichtiger

Faktor ist zum Beispiel, ob der Roboter sich bewegt, falls er vom Ball getroffen wird. Dies

hängt unter anderem davon ab, wann die Motoren greifen und wie das Gesamtgewicht des Ro-

boters ist. Dies kann die FEA unmöglich berücksichtigen, allerdings hat es einen großen Ein-

fluss, da im Falle einer Bewegung, ein Teil der Energie, welche beim Aufprall entsteht, in ki-

netische Energie umgewandelt wird. So ist die Energie, welche die Konstruktion aufnehmen

muss, wesentlich geringer.

Obwohl die FEA nicht die genauen Belastungen und Spannungen simulieren kann, ist sie trotz-

dem hilfreich. Zum einem zeigt sie die Schwachstellen einer Konstruktion auf und zum anderen

können verschiedenen Konstruktionen sehr gut miteinander verglichen werden.

Aus diesem Grund wurden für beide Ideen jeweils mehrere FEAs durchgeführt. Als erstes

wurde ein relativ kleines Netz erstellt (vgl. Abbildung 16). Die Elementgrößen betrugen ca. 15

mm. Die Einspannungen wurden ebenfalls definiert. Beide Ideen sind jeweils unten fixiert.

Des Weiteren wurden alle Verbindungen als fix angenommen. Dies bedeutet, dass ihnen eine

maximale Festigkeit zugeordnet wurde und sie als untrennbar behandelt wurden. Um verwert-

bare Ergebnisse zu erhalten, war dies zwingend erforderlich.

Bei beiden Ideen wurde als Material die Aluminiumlegierung EN-AW 5754 verwendet. Die

zweite Idee soll zwar aus CFK-Rohren bestehen, allerdings können auf Grund des anisotropen

Werkstoffverhaltens keine vernünftigen FEAs durchgeführt werden.

Konzeptfindung 21

Nun wurden verschiedene Lasten definiert, welche jeweils einen Aufprall eines Fußballs simu-

lieren sollen. Jede Last wurde mit 200 N definiert, was in etwa 20 kg entspricht. Es wurden

lediglich die Richtung und der Angriffpunkt der Kraft varriert. Als erste Last wurde eine seitli-

che horizontale Kraft definiert, die weit oben auf die Konstruktion trifft vgl. (Abbildung 17).

Abbildung 16: Netz der ersten Idee ( links) und der zweiten Idee (rechts)

Abbildung 17: Berechnete Spannung bei Lastfall 1 der ersten Idee

Konzeptfindung 22

Abbildung 18: Berechnete Verschiebung bei Lastfall 1 der ersten Idee

Abbildung 19: Berechnete Verschiebung bei Lastfall 1 der zweiten Idee

Konzeptfindung 23

Da beide Konstruktionen bei einer seitlichen Belastung erhebliche Schwächen aufweisen, wird

ein weiteres Blech bzw. ein weiteres Rohr verbaut, die die Konstruktion gegenüber seitlichen

Belastungen stärken soll.

Durch diese Veränderungen sollten sowohl die maximalen Spannungen von 211 N

mm2 (vgl. Ab-

bildung 17) bei der ersten Idee und 108 N

mm2 (vgl. Abbildung 20) bei der zweiten Idee, als auch

die maximalen Verschiebungen (vgl. Abbildung 18 und Abbildung 19) sinken. Besonders die

Spannung bei der ersten Idee ist extrem hoch und ist knapp vor der Dehngrenze, welche zwi-

schen 240 N

mm2 und 260 N

mm2 [22] liegt. Ab diesen Werten würde sich das Hauptblech plastisch

verformen und eine saubere Ausfahrung der Extensions wäre beispielweise nicht mehr gewähr-

leistet. Daher wird die FEA mit den neuen Bauteilen und mit identischer Kraft wiederholt.

Abbildung 20: Berechnete Spannung bei Lastfall 1 der zweiten Idee

Konzeptfindung 24

Abbildung 22: Berechnete Spannung bei Lastfall 1 der modifizierten zweiten Idee

Abbildung 21: Berechnete Spannung bei Lastfall 1 der modifizierten ersten Idee

Konzeptfindung 25

Abbildung 23: Berechnete Verschiebung bei Lastfall 1 der

modifizierten erste Idee

Abbildung 24: Berechnete Verschiebung bei Lastfall 1 der modifizierten

zweiten Idee

Konzeptfindung 26

Die erneut durchgeführte FEA zeigt, dass bei der zweiten Idee eine erhebliche Verbesserung

erlangt werden konnte. Sowohl die maximale Spannung, als auch die maximale Verschiebung,

haben sich stark verringert. Die maximale Spannung hat sich um knapp 40% auf 67 N

mm2 (vgl.

Abbildung 22) und die maximale Verschiebung hat sich um 400% auf 1.98 mm (vgl. Abbildung

24) verringert.

Bei der ersten Idee hat sich zwar die maximale Verschiebung von 34.45 mm auf 9.5 (vgl. Ab-

bildung 23) mm verringert. Allerdings ergibt sich durch das Hinzufügen eines zweiten Bleches

eine andere Spannungsverteilung, die sich stellenweise durch größere Spannungsspitzen von

240 N

mm2 (vgl. Abbildung 21) auszeichnet. Die maximale Spannung tritt nun nicht mehr im

Hauptblech auf, sondern im unteren modifizierten Blech.

Um die Spannungen zu verringern, wurden mit verschiedenen Blechformen weitere FEAs

durchgeführt. Die niedrigste Spannung hat dabei eine Konstruktion mit einem Blech ohne

Strebe und kleineren Löchern an den Seiten als das Ursprungsblech. Damit konnte eine wesent-

lich geringere Spannung erreicht werden.

Allerdings ist die maximale Spannung mit 131 N

mm2 immer noch fast doppelt so hoch, wie die

maximale Spannung der zweiten Idee.

Abbildung 25: Berechnete Spannung bei Lastfall 1 der finalen ersten Idee

Konzeptfindung 27

Da die meisten Schüsse von Vorne auf den Roboter treffen, wurden verschiedene Kräfte ana-

lysiert, welche auf die Vorderseite der Konstruktion wirken. Dabei entstehen besonders bei

Krafteinwirkungen an den Seiten hohe Spannungen. Da die Hauptrohre der zweiten Idee weiter

außen sind, als die Hauptbleche der ersten Idee, wird die Kraft dort über die Dreiecke eingeleitet

und bei der zweiten Idee über die Hauptrohre.

Abbildung 26: Berechnete Spannung bei Lastfall 2 der finalen ersten Idee

Abbildung 27: Berechnete Spannung bei Lastfall 2 der zweiten Idee

Konzeptfindung 28

Abbildung 28: Berechnete Verschiebung beim Lastfall 2 der zweiten Idee

Abbildung 29: Berechnete Verschiebung bei Lastfall 2 der finalen ersten Idee

Konzeptfindung 29

Die maximale Spannung ist bei der ersten Idee mit 134 N

mm2 (vgl. Abbildung 26) mehr als dop-

pelt so hoch, wie die maximale Spannung bei der zweiten Idee, welche 57 N

mm2 (vgl. Abbildung

26) beträgt. Die maximale Verschiebung ist mit 4.15 mm (vgl. Abbildung 29) bei der ersten

Idee gegenüber 0,96 mm (vgl. Abbildung 28) bei der zweiten Idee ebenfalls wesentlich höher.

So ist auch bei dieser Krafteinwirkung die zweite Idee die weitaus stabilere, bei allen durchge-

führten FEAs sind die auftretenden Spannungen geringer.

Da die Ergebnisse nicht den ersten Eindruck widerspiegeln, wurden noch weitere FEAs durch-

geführt, um mögliche Fehler aufzudecken. FEM-Berechnungen mit Baugruppen können zu un-

erwarteten Fehlern führen. Um dies auszuschließen, wurden die Baugruppen jeweils zu einem

Einzelteil umgewandelt und mit diesem wurde eine FEA durchgeführt.

Außerdem wurde bei beiden Ideen eine Fläche zur Krafteinwirkung konstruiert. Diese Flächen

sind exakt gleich groß und befinden sich an der gleichen Stelle der Konstruktion (vgl. Abbil-

dung 30). So ist sichergestellt, dass die Ergebnisse gut miteinander verglichen werden können.

Trotz dieser Änderungen blieben die auftretenden Spannungen und Verschiebungen identisch.

Dies zeigt, dass die Berechnungen richtig sind und die Entscheidung, welche Konstruktion die

stabilere ist, von den FEM-Berechnungen abhängig sein sollte und nicht vom ersten Eindruck.

Abbildung 30: Flächen zur Krafteinwirkung, erste Idee ( links), zweite Idee (rechts)

Konzeptfindung 30

5.1.3.3 Auswahl der zweiten Idee

Zwar hat die erste Idee den besseren ersten Eindruck gemacht, doch zeigen die FEAs deutlich,

dass die zweite Idee mit Aluminium-Rohren die deutlich stabilere Lösung ist. Über die Stabiliät

der CFK-Variante der zweiten Idee kann nur schlecht eine Aussage getroffen werden, da durch

das anisotropes Werkstoffverhalten von CFK FEM-Berechnungen sehr fehleranfällig sind. Die

Stabilität sollte aber höher sein als die der Aluminiumvariante, da die Zugfestigkeit von CFK

wesentlich höher ist (vgl. 3.1). Das Gewicht ist bei der CFK-Variante wesentlich niedriger, da

zum einen die Dichte geringer ist und zum anderen die Hauptrohre bei der Alumiumversion

eine Wandstärke von 1.5 mm anstelle von 1 mm besitzen. Dies liegt daran, dass die CFK Rohre

mit einer Wandstärke von 1 mm angeboten werden und die Aluminium Rohre mit einer Wand-

stärke von 1.5 mm.

Der Preis wäre bei der Alumiumversion ebenfalls deutlich geringer als bei der CFK Variante.

Außerdem ist die Montierbarkeit der Aluminiumvariante wesentlich besser als bei der CFK

Variante, da bei dieser alles verklebt werden müsste. Alle anderen Verbindungen würden das

CFK zu stark schädigen, hingegen könnten die verschiedenen Aluminiumteile verschraubt, ver-

nietet oder verschweißt werden. Dies wäre zum einem ein großer Vorteil bei der Anbringung

der Buchsen für die Extensions, weil diese parallel zueinander sein müssen, und zum anderen

würde es die Anbringung von neuen Teilen in der Zukunft vereinfachen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Alumiumversion der zweiten Idee, trotz des relativ

hohen Gewichtes die meisten Vorteile bietet. Absolut gesehen ist ein Gewicht von 2500 g für

das komplette Grundgerüst immer noch recht wenig. Daher wird diese Variante gewählt und

im Verlauf der weiteren Arbeit noch verfeinert (vgl. Tabelle 1).

Tabelle 1: Vergleich erste Idee und zweite Idee

Idee 1 Idee 2 mit CFK-Rohre

Idee 2 mit Aluminium Rohre

Gewicht in g 3082 1588 2500

Preis für Basis Material 105 469* 50

Montage Gut Schlecht Mittel/Gut

Stabilität Kraft 1 Schlecht Nicht berechenbar Gut

Stabilität Kraft 2 Schlecht Nicht berechenbar Gut

Stabilität Kraft 3 Gut Nicht berechenbar Gut

* Gegebenenfalls bis zu 50% Rabatt möglich

Konzeptfindung 31

5.2 Auswahl der Verbindungen

Dieses Unterkapitel beschäftigt sich mit der besten Verbindung zwischen den Hauptrohren, den

Blechen und den Winkeln. Dafür sind vier verschiedene Verbindungsarten denkbar: Schwei-

ßen, Kleben, Schraubverbindungen und das Nieten (vgl. 3.3).

Aufgrund der Tatsache, dass die Werkstatt des Fachbereiches 16 der Universität Kassel kein

Aluminium schweißen kann, ist die Lösung nicht umsetzbar.

Das Kleben von Aluminium mit Aluminium ist zwar möglich, allerdings hat es massive Nach-

teile, denn die Montage der Buchsen für die Extensions wäre problematisch, da diese parallel

sein müssten. Klebefugen dürfen nur auf Schub und parallel zur Fügefläche beansprucht wer-

den, dies wäre beim Roboter nicht immer der Fall [14]. Außerdem wären Klebeverbindungen

schlecht trennbar, sodass eine Klebeverbindung nicht weiter in Betracht gezogen wird.

Schraub- oder Nietverbindungen wären beide denkbar, haben aber beide ihre Vor- und Nach-

teile. Diese wurden ausführlich im Unterkapitel 3.3 erörtert.

Um die Vorteile beider Verbindungen zu nutzen, wurden die High Torque Blindnietmuttern der

Firma Heyman verbaut [10]. Diese bieten den besten Kompromiss aus allen Verbindungen.

Damit Winkel und Bleche gut an den Rohren anliegen, wurden sie mit einer Senkbohrung ver-

sehen um so die Flanschdicke der Blindnietmutter zu kompensieren.

5.3 Auswahl der Hauptrohre

Die Hauptrohre müssen die stabilsten Rohre der Konstruktion sein, da diese das Grundgerüst

ausmachen. Trotz der benötigten Stabilität sollten es möglichst leichte Rohre sein. Zwei ver-

schiedene Rohre schienen hierfür geeignet zu sein: Einmal ein 15 x 15 x 2 mm Quadratrohr und

einmal ein 20 x 20 x 1.5 mm Quadratrohr (vgl. Abbildung 31). Das größere Rohr wiegt mit 311

Gramm je Meter 20 Gramm mehr als das kleinere. Allerdings ist das Flächenträgheitsmoment

𝐼 mit 6373 mm4 mehr als doppelt so hoch und das Widerstandsmoment 𝑊 ist mit 637 mm3 ca.

63 % höher.

𝐼 =1

12∗ (𝐷𝑎

4 − 𝐷𝑖4) (3)

𝐼 =1

12(204 − 174) = 6373 (4)

𝑊 =𝐷𝑎

4 − 𝐷𝑖4

6𝐷𝐴 (5)

𝑊 =204 − 174

6 × 20= 637 (6)

Konzeptfindung 32

Um diese Werte zu überprüfen, wurden zwei FEAs durchgeführt. Dabei wurde das Quadratrohr

auf der einen Seite eingespannt und auf der anderen Seite mit einer Kraft von einem Kilogramm

belastet. Die Kraft wirkt bei beiden Rohren auf eine exakt gleich große Fläche.

Abbildung 33: Berechnete Spannung, 15x15x2 ( links) und 20x20x1.5 (rechts)

Abbildung 32: Berechnete Verschiebung, 15x15x2 ( links) und 20x20x1.5 (rechts)

Abbildung 31: Querschnitt Quadratrohr

Konzeptfindung 33

Die FEM bestätigen die bereits gemachten Berechnungen, die maximale Spannung ist bei dem

kleineren Rohr um ca. 60% höher (vgl.Abbildung 33) und die maximale Verschiebung ist ca.

doppelt so hoch (vgl. Abbildung 32).

Die maximale Spannung ist also proportional zum Flächenträgheitsmoment und die maximale

Verschiebung zum Widerstandsmoment.

Dadurch dass der Gewichtsunterschied relativ gering ist, allerdings eine wesentlich bessere Sta-

bilität vorliegt (vgl. Tabelle 2), wurde das 20 x 20 x 1.5 mm Rohr gewählt

Tabelle 2: Vergleich Rohre

5.4 Auswahl der Querrohre

Dieses Unterkapitel behandelt die Auswahl der Querrohre und vergleicht die verschieden Mög-

lichkeiten miteinander.

Da in den Querrohren eine größere Spannung auftreten kann als in den Hauptrohren (vgl.

5.1.3.2), sollten diese genauso stabil sein. Aufgrund dieser Tatsache könnten ebenfalls 20 x 20

x 1.5 mm Aluminium Quadratrohre als Querrohre verbaut werden. Allerdings wäre das Gewicht

recht hoch. Bei fünf verbauten Querrrohren von je 500 mm Länge wären dies in etwa 778

Gramm.

Die Alternative wäre, gewickelte CFK-Quadratrohre zu verbauen. Diese wären deutlich leich-

ter, hätten allerdings trotzdem eine hohe Stabilität. Diese würden zusammen 250 Gramm wie-

gen, sodass 528 Gramm gespart werden könnten.

Der große Nachteil ist, dass die CFK-Quadratrohre verklebt werden müssten. Dies wäre aber

bei den Querrohren weniger dramatisch, da diese nur zur Stabilität dienen. Es werden keine

weiteren Bauteile an den Querrohren montiert, diese müssten nur mit den Hauptrohren verbun-

den werden. Da die Hauptrohre aus Aluminium bestehen, könnten die CFK-Rohre gut mit die-

sen verklebt werden. Allerdings sind die CFK-Rohre mit ca. 140 € deutlich teurer, als die Alu-

minium-Rohre, welche nur 25 € kosten. Aufgrund der Tatsache, dass das Gewicht eine sehr

entscheidende Rolle spielt, werden für die Querrohre trotz des Preises CFK-Quadratrohre be-

vorzugt.

15 x 15 x 2 mm Rohr 20 x 20 x 1,5 mm Rohr

Gewicht in g pro m 291 311

Gewicht der verbauten Rohre in g 1097 1173

Flächenträgheitsmoment in mm^4 399,82 637,22

Widerstandsmoment in mm^3 2999,67 6373,25

maximale Spannung in MPA 19,4 12,1

maximale Verschiebung in mm 5,44 2,56

Preis der verbauten Rohre in € 30,75 31,27

Finale Konstruktion 34

6 Finale Konstruktion

Das folgende Kapitel befasst sich mit der finalen Konstruktion (vgl. Abbildung 34), dabei wer-

den die einzelne Komponenten näher erläutert.

Abbildung 34: Finale Konstruktion

Finale Konstruktion 35

6.1 Parallelität

Das nachfolgende Kapitel beschäftigt sich mit der Ausrichtung der Buchsen.

Die zwei Buchsen pro Seite müssen jeweils parallel zueinander ausgerichtet sein, damit ein

flüssiges Ausfahren der Extensions gewährleistet ist. Daher müssen die orangenen Bleche auf

welchen die Buchsen montiert sind, mit größter Sorgfalt angebracht werden. Die Buchsen sind

mit vier Schrauben mit dem Blech verbunden.

Zuerst war geplant, das grüne Blech mit Senkschrauben mit dem CFK-Rohr zu verbinden. Al-

lerdings lassen Senkschrauben (DIN 7991) absolut kein Spiel zu, dadurch könnten sich die

Rohre bedingt durch Fertigungstoleranzen verkanten. Die bessere Variante ist, das Blech mit

normalen Gewindeschrauben (DIN 912) zu verschrauben und die Durchgangsbohrungen grob

zu bohren (vgl. Abbildung 35). Dadurch ist eine Ausrichtung der Rohre möglich, um ein Ver-

kanten der Rohre zu verhindern.

Die aufgeführten Punkte müssen bei jeder Extension beachtet werden, allerdings müssen die

seitlichen Extensions nicht zwingend parallel zueinander sein, da diese nicht miteinander ver-

bunden sind.

Falls trotz des verfügbaren Spiels ein flüssiges Ausfahren der Extensions nicht möglich ist, sind

zwei weitere Varianten mit mehr Spiel möglich. Diese werden in den nächsten zwei Unterka-

piteln genauer erläutert.

Abbildung 35: Finale Variante, Parallelität

Finale Konstruktion 36

6.1.1 Erste Variante

Bei dieser Variante wird das Spiel durch eine Hülse erzeugt, die etwas dicker als das Blech ist,

auf welcher die Schraube aufliegt (vgl. Abbildung 36). Dadurch dass die Schraube nicht direkt

auf dem Blech liegt, kann sich dieses zwei Millimeter bewegen und so einen möglichen fal-

schen Achsabstand ausgleichen.

Diese Variante ist zwar etwas komplizierter als die geplante Variante, allerdings kann sie grö-

ßere Unebenheiten ausgleichen. Daher sollte sie in Betracht gezogen werden, falls bei der ei-

gentlichen Variante Probleme entstehen sollten.

6.1.2 Zweite Variante

Die zweite Variante ähnelt der ersten Variante stark, ist allerdings weniger kompliziert. Bei

dieser Variante wird die Schraube einfach durch eine Durchgangsbohrung in die Hülse im CFK-

Rohr geschraubt, allerdings nicht bis zum Anschlag (vgl. Abbildung 37). Es sollten ca. 2 Mil-

limeter Abstand zwischen der Hülse und dem Schraubenkopf liegen, um so das Spiel zu ermög-

lichen.

Abbildung 36: Erste Variante

Abbildung 37: Zweite Variante

Finale Konstruktion 37

Für diese Variante wären selbstsichernde Schrauben gut geeignet (vgl. Abbildung 38). Diese

besitzen ähnlich wie eine selbstsichernde Muttern einen Kunststoffring, welcher sich beim Ein-

schrauben verformt und so ein unbeabsichtigtes Lösen verhindert.

Allerdings sind derartige Schrauben schwer in Deutschland erhältlich, da diese selten im Ein-

satz sind. Alternativ könnte die Schraube auch mit Schraubenkleber gesichert werden.

6.2 Positionierung des omnidirektionalen Kamerasystems

Die Hauptrohre, welche das Kamerasystem tragen, wurden gekürzt und weiter nach vorne ge-

setzt, um so das Sichtfeld der Kamera zu vergrößern. Durch den eingebauten Spiegel hat die

Kamera eine 360° Sicht. Diese wurde allerdings stark eingeschränkt, da die Kamera zu nah an

den seitlichen Hauptrohren positioniert war.

Durch die erläuterten Maßnahmen konnte der wirkliche Blickwinkel von ca. 170° auf 246°

erhöht werden. Der Winkel wurde mit Hilfe von trigonometrischen Funktionen (vgl. (7+8))

und SolidWorks berechnet und befindet sich zwischen den zwei schwarzen Linien (vgl. Ab-

bildung 39).

Abbildung 38: selbstsichernde Schrauben [15]

Abbildung 39: Position des omnidirektionalen Kamerasystem

Finale Konstruktion 38

cos−1 (164.85

301.97) = 56.91° (7)

180° + 2 ∗ (90° − 56.91°) = 246.18° (8)

Durch die Kürzung der Hauptrohre können diese die Kamera nur noch unten fixieren. Im Falle

eines Balltreffers am oberen Ende der Kamera, würde ein großes Moment entstehen, welches

die Befestigung der Kamera zerstören würde. Um diesem entgegen zu wirken, wird die Kamera

noch von zwei CFK-Rohren gestützt. Dadurch verringert sich das auftretende Moment erheb-

lich, da der Hebel kleiner wird (vgl. Abbildung 40).

Abbildung 40: Abstützung der Kamera

Falls das Aluminiumblech das Kameragehäuse beschädigen sollte, kann dünner Flies zwischen

dem Blech und dem Gehäuse montiert werden, um dies zu schützen.

Durch die Verschiebung der Hauptrohre nach vorne sind größere Lücken zu den seitlichen

Hauptrohren entstanden. Der Abstand zwischen den vorderen Rohren und den seitlichen Roh-

ren beträgt 223 mm. Um zu verhindern, dass der Fußball der Innenraum des Roboters beschä-

digt, werden CFK-Rohre mit einem vertikalen Abstand von 180 mm zwischen den Hauptrohren

montiert (vgl. Abbildung 41). Diese verbesseren außerdem die Stabilität des Grundgerüstes, da

es die Hauptrohre miteinander verbindet.

Abbildung 41: Weitere Stützrohre

Finale Konstruktion 39

6.3 Verbindung CFK-Rohre mit den Aluminiumrohren

Das folgende Kapitel konzentriert sich auf die Verbindung der CFK-Rohre mit den Alumini-

umrohren.

6.3.1 Querrohre

Die Querrohre werden mit den Hauptrohren verklebt. Dabei sollte der Klebespalt so klein wie

möglich gehalten sein, aber so groß wie nötig um die Unebenheiten des CFK-Rohres auszu-

gleichen. Um die maximale Zugfestigkeit des Klebers zu nutzen, sollte die Passgenauigkeit der

Fugen höchstens ca. 0.3 mm betragen. Diese sagt aus, um wieviel der Klebespalt in der Breite

variieren darf.

Um die Rohre miteinander zu verkleben, müssen zuerst die Fügeflächen sorgfältig angeschlif-

fen werden. Dabei ist es wichtig, dass das Aluminiumrohr nach dem Anschleifen direkt mit

dem CFK-Rohr verklebt wird, um ein Oxidieren des Aluminiums zu verhindern. Außerdem ist

es wichtig, dass die Fügeflächen keinen direkten Kontakt haben, da sonst das Aluminium einen

direkten Faserkontakt hat, wodurch Kontaktkorrosion entsteht. Wenn der Kleber sorgfältig auf-

getragen ist, verhindert er dies allerdings.

Als Kleber soll der Elan-Tech AS 90 + Härter AW 92 verwendet werden, weitere Information

wie Vearbeitungszeit etc. können unter der folgenden Quelle nachgelesen werden [16].

6.3.2 Stützrohre

Die Stützrohre könnten zwar auch direkt mit den Hauptrohren verklebt werden, allerdings

würde bei jedem Balltreffer der Kleber auf Scherbelastung beansprucht werden (vgl. Abbildung

42).

Abbildung 42: Direkte Verklebung der Stützrohre mit den Hauptrohren

Finale Konstruktion 40

Da dies eine äußert ungünstige Belastung für den Kleber darstellt, wurde diese Variante nicht

weiter verfolgt.

Eine weitaus bessere Befestigung ist es, wenn das Stützrohr an der Hinterseite des Hauptrohres

montiert ist. Dadurch wird die Kraft wesentlich besser weitergeleitet, allerdings treten so zwei

Probleme auf. Erstens stehen die Rohre in einem Winkel von 45° zueinander, dies könnte durch

einen 45°-Schnitt aber leicht behoben werden. Das größere Problem ist, dass das CFK Rohr

nicht direkt mit dem Aluminiumrohr verklebt werden kann, da die Klebefläche mit nur 1 mm

Wandstärke zu gering ist.

Als Lösung für diese zwei Probleme wurde ein Aluminiumwürfel entworfen, welcher mit dem

CFK-Rohr verklebt und dann mit dem Aluminiumrohr verschraubt wird (vgl. Abbildung 43).

Für das andere Ende des Stützrohres wurde ebenfalls ein Würfel entworfen, welcher die Ver-

bindung vom Rohr zur Lochplatte herstellt.

Durch die Würfel ist eine optimale Kraftübertragung gewährleistet, da die Kraft nicht über den

Kleber übertragen wird, sondern über den Kontakt zwischen dem Würfel und dem CFK-Rohr.

Die Schrägrohre wurden ebenfalls mit Würfeln an den Aluminiumrohren montiert.

Abbildung 43: Würfel Variante Hauptrohrseite

Abbildung 44: Würfel Variante Lochplattenseite

Finale Konstruktion 41

6.4 Buchse

Ein weiteres Problem stellten die Buchsen dar, welche als Führung für die Extensions dienen.

Da eine Verformung der Buchsen ein Verkanten der Rohre beim Ausfahren zur Folge haben

kann müssen diese ausreichend geschützt sein.

Die Buchse nimmt die meiste Kraft auf, falls der Arm vom Ball getroffen wird. Deshalb muss

eine stabile Verbindung zu den Hauptrohren vorliegen. Damit die Buchse nicht die ganze Kraft

aufnimmt, wurde zuerst ein gebogenes Blech montiert, welches die Kraft weiterleiten soll, um

so die Buchse zu entlasten (vgl. Abbildung 45).

Allerdings müsste ein weiteres Bauteil genau gefertigt werden, wodurch höhere Kosten entste-

hen. Es ist sinnvoller, anstelle eines weiteren Bleches, die Buchse wesentlich stabiler zu kon-

struieren und so auf weitere Bauteile zu verzichten (vgl. Abbildung 46).

Durch die Streben an den Seiten erhöht sich die Stabilität, wodurch ein Verformen unwahr-

scheinlicher wird. Der kleine Absatz in der Mitte ist notwendig, da der Fräser der Uni-Werkstatt

nur 50 mm lang ist, das Bauteil allerdings 60 mm. Daher muss der Fräser zweimal anfahren um

das Bauteil zu fertigen. Dadurch dass der Schaft des Fräsers größer ist als sein Durchmesser,

entsteht ein Absatz von 1mm.

Abbildung 45: Variante zur Verstärkung der Buchse

Abbildung 46: Finale Variante der Buchse

Finale Konstruktion 42

6.5 Verbindung der Hauptrohre zur Grundplatte

Um die Verbindung zwischen den Hauptrohren und der Grundplatte zu realisieren sind zwei

Varianten denkbar.

Die erste Variante ist ein Fußklemmstück von der Firma Rose-Krieger zu verwenden (vgl. Ab-

bildung 47). Dieses wird mit Schrauben an die Grundplatte geschraubt und das Aluminiumrohr

wird mit zwei Schrauben verklemmt.

Der Vorteil dieser Variante ist, dass es sich um ein günstiges Kaufteil handelt, daher müssten

keine Bauteile extra gefertigt werden. Allerdings sind die Kunststofffüße recht sperrig und auf

Grund ihrer Größe mit 121 Gramm recht schwer [17]. Es müssten zusätzlich sowohl am Fuß-

klemmstück als auch an der Außenhülle verschiedene Änderungen durchgeführt werden, damit

keine Kollisionen auftreten.

Bei der zweiten Varainte wird das Rohr mit zwei Aluminiumwinkeln an die Grundplatte ver-

schraubt (vgl. Abbildung 48). Durch die geringere Größe der Winkel sind keine Änderungen

an der Außenhülle notwendig. Außerdem ist die Variante mit ca. 22 Gramm deutlich leichter,

allerdings ist sie instabiler als das Fußklemmstück.

Auf Grund des hohen Gewichtsvorteils, wird die erhöhte Instabilität in Kauf genommen und

die Winkel werden sowohl bei den seitlichen Hauptrohren, als auch bei den vorderen verbaut.

Falls diese den Kräften nicht standhalten, werden sie nachträglich durch die Füße ersetzt.

Abbildung 47: Erste Variante mit Fußklemmstücken

Finale Konstruktion 43

Die Hauptrohre werden ebenfalls mit der Lochplatte über einen Winkel verbunden, dadurch

gewinnt die Lochplatte an zusätzlicher Stabilität. Diese ist notwendig, da die Lochplatte das

Innere des Roboters vor einem Balltreffer schützt.

6.6 Außenhülle

Damit die Antriebselemente vom Roboter vor Staub und dem Ball geschützt sind, ist eine Au-

ßenhülle notwendig. Zwei möglichen Varianten kommen dafür in Betracht, beide haben ihre

Vor- und Nachteile. Die erste Möglichkeit wäre, eine 3 mm CFK-Hülle fertigen zu lassen, wel-

che aus zwei Teilen besteht. Diese Art von Außenhülle nutzen die Feldspieler schon seit länge-

rer Zeit. Die Hülle ist äußert stabil und einfach montierbar, allerdings hat sie zwei Nachteile.

Zum einem ist sie mit ca. 2 Kilogramm recht schwer und zum anderen ist sie teuer. Jede Hülle

kostet ca. 500 €, dazu kommen noch die Kosten für eine Form von ca. 700€. Allerdings ist nur

eine Form für alle Hüllen notwendig.

Für den Torwart wird zwar nur eine Hülle gebraucht, allerdings muss für diese eine extra Form

gefertigt werden, dies erhöht den Preis deutlich.

Dadurch dass die Lochplatte des Torwarts das Innere schon ausreichend vor einem Schuss

schützt, ist keine stabile Außenhülle notwendig. Daher ist eine leichtere und günstigere Vari-

ante besser geeignet.

Am besten hat eine Außenhülle aus einer PVC-Schaumplatte die Erwartungen erfüllt (vgl. Ab-

bildung 49). Diese ist sowohl günstig, als auch leicht und schützt den Roboter zuverlässig vor

Staub. Sie besteht ebenfalls aus zwei Teilen und wird mit jeweils drei Schrauben an der Loch-

platte montiert. Eine ähnliche Hülle aus einer 3 mm PVC-Schaumplatte hat sich bei den Feld-

spielern bereits bewährt. Durch die Verringerung der Wandstärke auf 2 mm konnte das Gewicht

Abbildung 48: Zweite Variante mit Aluminiumwinkeln

Finale Konstruktion 44

weiter um 331 Gramm reduziert werden. Ein weiterer Vorteil ist die leichte Bearbeitung des

Materials zum Beispiel durch eine Schere.

Auf die Außenhülle kann leicht das von der RoboCup Foundation geforderte weiche Material

geklebt werden, welches zum Schutz von Knöcheln dient.

6.7 Sensoren

Neben dem omnidirektionalen Kamerasystems hat der Torwart noch weitere Sensoren, um sich

im Raum zu orieniteren oder den Ball zu erkennen. Diese müssen ebenfalls am Grundgerüst

montiert sein und vor Schüssen geschützt werden.

6.7.1 Kamera

Um auf dem Boden liegende Bälle zu erkennen wird die Flea3 von Point Grey mit dem Objektiv

DF6HA-1B von Fujifilm verwendet. Diese soll mittig und nach unten geneigt sitzen.

Dafür wird sie auf ein nach unten geneigtes Blech geschraubt, welches sich zwischen den bei-

den vorderen Hauptrohren befindet. Aufgrund der Neigung und dem Platzmangel hinter der

Kamera, sitzt das Objektiv relativ weit vorne und wird daher zusätzlich geschützt (vgl. Abbil-

dung 50).

Abbildung 49: Aussenhülle

Abbildung 50: Sichtfeld der Kamera

Finale Konstruktion 45

Das Objektiv hat einen Blickwinkel von 56° in der Horizontalen und 43° in der Vertikalen [18].

Zusammen mit dem 10° Neigungswinkel, ergibt sich ein Winkel von 31.5° nach unten, wodurch

die Kamera alle Bälle auf dem Boden erkennt, die einen Abstand von mindestens 300 Millime-

ter zum Roboter haben.

6.7.2 Tiefenkamera

Um fliegende Bälle zu erkennen, werden entweder zwei Orbbec Astra S Pro Kameras (vgl.

Abbildung 51) oder ein 3D-Laser-Scanner eingesetzt. Bei den Tiefenkameras handelt es sich

um Tiefenkameras, diese liefern für jeden Pixel die Entfernung des darauf abgebildeten Objek-

tes [19]. Aufgrund der Tatsache, dass die Roboter oft im Bogen schießen, muss die Astra nach

oben gerichtet sein, damit sie die Bälle aus der Luft erkennt. Bei der Verbindung der Astra mit

dem Grundgerüst sollte drauf geachtet werden, dass die Astra nach jedem erneuten Montieren

exakt die selbe Position hat, um so eine Anpassung der Codes zu verhindern. Dies stellte sich

als äußert problematisch dar, da die Astra zu einen nur eine Gewindebohrung hat und zum

anderen der Fuß ausklappbar und drehbar ist. Durch die Gewindebohrung kann die Astra zwar

gut mit einem Blech verbunden werden, allerdings wäre sie nicht gegen Verdrehung geschützt.

Ebenfalls ist es wichtig, dass sich die Blickfelder der Astras nach maximal einem Meter über-

schneiden, um möglichst wenige tote Winkel zu haben.

Zwei Varianten sind denkbar, welche die Anforderungen erfüllen. Bei beiden wird der Fuß so

verklebt, dass dieser nicht mehr ausklappbar ist. Außerdem wird zwischen Fuß und Kamerage-

häuse eine Flachstange geklebt, damit der Fuß nicht mehr drehbar ist. Darüber hinaus wird die

Kamera bei beiden Varianten auf ein gekantetes Blech geschraubt, welches mit einem vorderen

Hauptrohr und einem Querrohr verbunden ist.

Bei der ersten Variante wird ein zusätzliches U-Profil auf das gekantete Blech geschraubt, um

so ein Verdrehen der Astra zu verhindern (vgl. Abbildung 52). Wenn beim Montieren darauf

Abbildung 51: Orbbec 3D Astra Pro [20]

Finale Konstruktion 46

geachtet wird, dass die Kamera am U-Profil anliegt, ist die Position stets dieselbe. Durch Dre-

hen des U-Profils kann der Winkel der Astra noch angepasst werden.

Die zweite Variante ist die deutlich elegantere, bei dieser besitzt das gekantete Blech eine plan

gesenkte Fläche, welche eine Verdrehung verhindert (vgl. Abbildung 53). Das Blickfeld der

Astra beträgt 60° in horizontaler Sicht und 49.5° in vertikaler Sicht. Dadurch dass die Kamera

90° gedreht eingebaut ist, wird das horizontale Sichtfeld zum vertikalen und umgekehrt. Die

Blickfelder der Astras überschneiden sich ca. 120 mm vor dem Roboter und durch die zusätz-

liche Neigung von 20° ergibt sich ein Winkel von 50° nach oben. Dadurch können die Astras

Bälle über einen Meter erkennen, wenn diese mindestens 370 mm entfernt sind.

Durch den großen Neigungswinkel ist das untere Ende der Kamera anfällig für Schüsse und

muss daher mit einem weiteren Aluminiumrohr geschützt werden.

Aufgrund der Tatsache, dass der 3D-Laser-Scanner ein 360° Sichtfeld hat und das Geld für den

Laser genehmigt wurde, werden die Astras nicht verbaut. Dies stellte sich aber erst heraus, als

die Anbringmöglichkeiten für die Astras bereits konstruiert worden waren.

Abbildung 52: Erste Variante

Abbildung 53: Zweite Variante

Finale Konstruktion 47

6.7.3 3D-Laser-Scammer

Der LiDAR's Puck LITE von Velodyne verfügt über 16 Laser, die Lichtstrahlen emitteren. Die

reflektierten Lichtstrahlen werden von den Sensoren eingefangen und es wird die Zeit ermittelt,

die sie für den Weg benötigt haben. Aus der gemessenen Zeit wird für jeden Punkt eine Entfer-

nung berrechnet und so eine 3D-Karte erstellt.

Da der Scanner als Ersatz für die Astras dienen soll, ist seine Aufgabe ebenfalls, die Bälle aus

der Luft zu erkennen. Daher muss er wie die Astras nach oben geneigt sein. Außerdem ist auf

Grund des hohen Preises des Lasers ein ausreichender Schutz zwingend notwendig.

Der Laser wird mit einer ¼ Zoll-Schraube auf ein Blech geschraubt, außerdem verhindert noch

eine Stiftverbindung eine mögliche Verdrehung.

Drei Schrauben stellen die Verbindung zwischen dem Blech und den vorderen Hauptrohren

dar. Durch zwei Schrauben auf einer Seite wird eine Verdrehung des Bleches verhindert.

Aufgrund des hohen Neigungswinkels schützen die Hauptrohre den Laser ausreichend, weitere

Bauteile sind daher nicht notwendig (vgl. Abbildung 54).

Der Laser besitzt ein vertikales Sichtfeld von 30° [21], durch die zusätzliche Neigung von 40°

ergibt sich ein Winkel von 55° nach oben. So kann der Laser Bälle über einen Meter erkennen,

wenn diese mindestens 340 mm entfernt sind.

Abbildung 54: 3D Laser Scanner

Finale Konstruktion 48

6.8 Verbindung Grundgerüst und Extensions

Neben den Buchsen der Extensions, müssen die zwei Linearführungen und das U-Profil, an

welchem der Motor und das Getriebe montiert sind, mit dem Grundgerüst verbunden werden.

Die Linearführung der seitlichen Extensions ist auf einem Winkel montiert, welcher über Ble-

che mit den seitlichen Hauptrohren verbunden ist (vgl. Abbildung 55). Durch die Befestigung

an allen vier seitlichen Hauptrohren entsteht eine große Stabilität.

Damit ein einwandfreies Ausfahren der Extensions möglich ist, muss das Zahnrad rechtwinklig

zur Zahnstange positioniert sein. Um dies zu erreichen, wurde das U-Profil direkt mit dem Win-

kel verbunden, anstatt mit den Hauptrohren (vgl. Abbildung 56). Bei einer Verbindung mit den

Hauptrohren müssten viele Bauteile präzise gefertigt werden, da sie auf den Winkel zwischen

Zahnrad und Zahnstange Einfluss haben

Abbildung 55: Verbindung der seitlichen Linearführung

Abbildung 56: Verbindung U-Profil mit Winkel

Finale Konstruktion 49

Die Verbindung der Linearführung der oberen Extensions stellte sich als schwieriger heraus,

da diese vertikal liegt. Sie wurde mit zwei Blechen realisiert, welche zwischen den seitlichen

Hauptrohren geschraubt sind. Um den Abstand zwischen den Blechen und dem Blech, auf wel-

chem die Linearführung geschraubt ist, zu überbrücken wurde eine Hülse eingebaut (vgl. Ab-

bildung 57).

Das U-Profil wurde ebenfalls direkt mit der Linearführung verbunden, um einen Winkel von

90° zu gewährleisten.

Aufgrund des hohen Hebels wurde untersucht, ob ein 15 x 10 x 2 mm Aluminium Winkel

stabiler ist als ein 20 x 3 mm Aluminium Flachstange. Allerdings weist der 15% schwerere

Winkel eine höhere maximale Spannung auf, als das Blech (vgl. Abbildung 58). Daher wird die

Flachstange verbaut.

Abbildung 57: Verbindung der oberen Linearführung

Abbildung 58: Berechnung der Spannung von Flachstange ( links) und Winkel (rechts)

Finale Konstruktion 50

6.9 Montage

Die Montage von Objekten mit einer so großen Anzahl von Bauteilen gestaltet sich oft als kom-

pliziert. Deshalb sollten bei der Montage mehrere Personen anwesend sein, außerdem ist kon-

zentriertes und genaues Arbeiten unbedingt erforderlich.

Nachdem der Antrieb montiert ist, sollte als erstes das Grundgerüst montiert werden. Dabei

müssen zuerst die Bleche und die Winkel an die Hauptrohre geschraubt werden. Danach sollten

die Aluminiumrohre mit der Grundplatte und der Lochplatte verbunden werden. Alle Schraub-

verbindungen sollten zuerst nur locker angezogen werden. Nachdem die Hauptrohre montiert

sind, sollte die Montage der Extensions erfolgen. Dabei sollte mit der Linearführung der seitli-

chen Extension begonnen werden. Danach sollte der Arm montiert und ausgerichtet werden.

Sobald ein flüssiges Ausfahren der Extensions erreicht wurde, können die Schraubverbindun-

gen fest angezogen werden. Anschließend kann die obere Extension in der gleichen Reihen-

folge verbaut werden. Nachdem die obere Extension störungsfrei ausfährt, können die Kameras

und der Laser montiert werden. Erst am Schluss und nach mehrmaligem Testen des Roboters

sollten die CFK-Rohre verklebt werden.

Aufgrund von den hohen CFK-Toleranzen müssen Bauteile gegebenenfalls nachgearbeitet wer-

den. Dies kann zum Beispiel durch Feilen oder die Verwendung von Flachblechen erfolgen.

6.10 Gewicht

Der gesamte Roboter wiegt 29.9 kg (Stand 1.12.2016). Das Gewicht teilt sich wie folgt auf:

20957 Gramm, Antriebsebene

3243 Gramm, Extensions

4433 Gramm, Grundgerüst

1352 Gramm, Kameras und Scanners

Das schwerste des Roboters stellt die Antriebsebene dar. Diese besteht neben den Antriebs-

komponenten, noch aus einer 10 mm dicken Aluminiumplatte, auf der der ganze Torwart auf-

gebaut ist. Außerdem zählen der Industrie-PC, die Lochplatte, das Platinengehäuse, die Akkus

und die Platinen ebenfalls zu der Antriebsebene.

Die Extensions sind mit 3243 Gramm etwa 1 kg schwerer als sie zunächst kalkuliert wurden

[3]. Die Modifizierung der Buchsen und das Hinzufügen von Bauteilen für die Verbindung zum

Finale Konstruktion 51

Grundgerüst haben das Gewicht vergrößert. Außerdem sind der Motor und das Getriebe schwe-

rer als zunächst angenommen.

Das fertige Grundgerüst ist ebenfalls schwerer als die vorgestellte Grundidee (vgl. 5.1.2), da

noch zahlreiche Bauteile hinzugefügt wurden. Den größten Teil des Gewichts machen die

Hauptrohre mit 1100 g und die Winkel und Bleche mit 1570 g aus.

Der Roboter durfte aufgrund der Regeln der „RoboCup Foundation“ nicht über 40 kg wiegen,

allerdings ist es von Vorteil, das Maximalgewicht zu unterschreiten. Deshalb wurden 30 kg als

Ziel anvisiert. Die Erreichung des Ziels gelang, da konsequent auf Leichtbau gesetzt wurde.

Besonders die Verwendung von CFK hat dieses geringe Gewicht möglich gemacht.

6.11 Veränderungsmöglichkeiten in Zukunft

Durch die Verwendung von Aluminiumbauteilen und Blindnietmuttern bestehen viele Mög-

lichkeiten, das Grundgerüst nachträglich zu modifizieren. Durch zusätzliche Bohrungen kön-

nen neue Blindnietmuttern eingesetzt werden, die neue Anbringmöglichkeiten schaffen.

Alle Bauteile können beliebig oft auseinandergeschraubt werden, bis auf die CFK-Querrohre.

Da diese Rohre keine „Würfel“ besitzen, sondern direkt mit dem Aluminium verklebt werden

sind sie nur demontierbar, wenn der Kleber mit Hilfe einer Lötlampe gelöst wird. Die auftre-

tende Hitze kann das CFK schädigen, hat allerdings keinen Einfluss auf das Aluminium. Daher

sollten die Querrohre nur im Notfall demontiert werden.

6.12 Erreichbarkeit der Akkus und des Industrie-PCs

Die Akkus sind auf der Hinterseite des Roboters angebracht und werden durch ein offenes Ge-

häuse geschützt. Sie sind daher gut erreichbar und können innerhalb kürzester Zeit gewechselt

werden.

Neben den Akkus muss der Industrie-PC gelegentlich ausgebaut werden. Dies ist zwar nicht

wirklich umständlich, benötigt aber mehr Zeit als der Austausch der Akkus. Dafür müssen als

erstes die Stützrohre und das Gehäuse für die Akkus demontiert werden. Danach kann unter

Anheben des Platinengehäuse der Industrie-PC nach hinten herausgezogen werden.

Finale Konstruktion 52

6.13 Kosten

Die Kosten für das Grundgerüst sind schwer zu kalkulieren, weil die Fertigungskosten den

größten Teil der Kosten ausmachen werden. Die Materialkosten der Aluminiumkomponenten

belaufen sich auf ca. 150 €, die CFK-Bauteile sind mit 417 € wesentlich teurer (vgl. Tabelle 3).

Es können ca. 86€ gespart werden, indem die Quadratrohre nicht vorgeschnitten gekauft wer-

den.

Bauteil Preis in

An-

zahl

Nachlas in

%

Preis Ge-

samt

Quadratrohr gewickelt 20x20x1x587mm CFK 48,26 2 25 72,39 €

Quadratrohr gewickelt 20x20x1x506mm CFK 41,60 5 25 156,00 €

Quadratrohr gewickelt 20x20x1x111,5mm CFK 9,17 2 25 13,76 €

Quadratrohr gewickelt 20x20x1x203mm CFK 16,69 4 25 50,07 €

Elan-tech® AS 90 + Härter AW 92 (65 Min)

Packung/ 290 g

25,11 1 0 25,11 €

Materialkosten Aluminiumteile 150,00 1 0 150,00 €

Summe 467,33 €

Tabelle 3: Kosten für das Grundgerüst

Zusammenfassung und Ausblick 53

7 Zusammenfassung und Ausblick

Die Aufgabe der vorliegenden Arbeit war die Konstruktion eines Grundgerüstes für den neuen

Torwartroboter des Teams „Carpe Noctem Cassel“. Das entwickelte Grundgerüst stellt zum

einen die Verbindung von der Antriebsebene zu den Extensions dar als auch zum anderen An-

bringungsmöglichkeiten für Sensoren. Außerdem dient es als Schutz für den Innenraum des

Roboters. Neben einem geringen Gewicht sollte das Grundgerüst leicht erweiterbar sein und

äußerst stabil. Darüber hinaus darf der Roboter nicht die vorgegebenen Abmaße der RoboCup

Research Foundation überschreiten.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, wurden zwei Konzepte entwickelt und diese intensiv mit-

einander verglichen. Die mehrfach durchgeführten FEM-Berechnungen haben zum einen erste

Schwachstellen aufgezeigt, die umgehend beseitigt wurden, zum anderen haben sie gezeigt,

dass die vermeintlich stabilere Variante die schwächere ist, sodass diese nicht umgesetzt wurde.

Das nun finale Konzept besteht hauptsächlich aus sechs Aluminiumquadratrohren, die sich auf

vier seitliche und auf zwei vordere aufteilen. Die Rohre sind mehrfach durch CFK-Rohre ver-

bunden, um eine höhere Stabilität zu erzeugen. Die vorderen Rohre wurden zusätzlich noch

durch CFK-Stützrohre nach hinten abgesichert, da die meisten Schüsse von vorne auf den Ro-

boter treffen. An den seitlichen Rohren sind die Extensions befestigt, wohingegen an den vor-

deren Rohren der Laser und die zwei Kameras montiert sind. Das omnidirektionale Kamerasys-

tem ist zusätzlich noch hinten abgestützt, um so den Hebel zu verringern. Es wurde außerdem

so weit vorne platziert, wie es die RoboCup Regeln zulassen, um so ein größtmögliches Sicht-

feld zu haben.

Dadurch dass eine große Lochplatte bereits die Antriebsebene ausreichend vor Einschlägen

schützt, wurde auf eine teure und schwere CFK-Aussenhülle verzichtet. Stattdessen wurde eine

Hülle aus einer PVC-Hartschaumplatte entworfen, die den Innenraum vor Schmutz schützt.

Durch die vielen Verstrebungen besitzt das Grundgerüst eine hohe Stabilität. Trotzdem ist es

durch konsequente Verwendung von Leichtbau-Werkstoffen gelungen, das Gewicht niedrig zu

halten.

Um ein einfaches Erweitern des Grundgerüstes zu gewährleisten, wurden Aluminium Quadrat-

rohre eingesetzt. Diese lassen sich durch die Verwendung von weiteren Blindnietmuttern leicht

erweitern.

Ein weiterer wichtiger Punkt war eine gute Erreichbarkeit des Industrie-PCs. Dieser ist erreich-

bar, sobald die Stützrohre und das Akkugehäuse demontiert wurden. Dies dauert nur wenige

Minuten.

Zusammenfassung und Ausblick 54

Da das Grundgerüst aus zeitlichen Gründen bis zur Beendigung dieser Arbeit nicht gefertigt

werden konnte, kann keine genaue Aussage über die Fertigungskosten getroffen werden. Die

reinen Materialkosten liegen bei 467 €.

Aufgrund der Verwendung von Leichtbauwerkstoffen, wie Aluminium und CFK, konnte das

Ziel von 30 kg für den gesamten Roboter erreicht werden. Mit diesem leichten Gewicht sollte

eine äußerst schnelle Beschleunigung möglich sein.

Alles in allem ist das vorgestellte Grundgerüst eine wesentliche Verbesserung zum alten Grund-

gerüst, da es stabiler ist und es mehr Erweiterungsmöglichkeiten besitzt (vgl. Abbildung 59).

Vor einem dauerhaften Einsatz im RoboCup muss es allerdings noch ausreichend getestet wer-

den.

Abbildung 59: Finale Konstruktion

Literaturverzeichnis 55

8 Literaturverzeichnis

[1] Yannick Schlamm, Entwicklung und Konstruktion mechatronisch ausfahrbarer Arme für

einen Torwart-Roboter, Semesterarbeit

[2] Ostermann, Anwendungstechnologie Aluminium, 3. Auflage, S. 768.

[3] R&G Faserverbundwerkstoffe GmbH, http://www.r-g.de/wiki/Kohlefasern_(Carbon),

(abgerufen am 2.12.2016)

[4] FEM-Praxis, http://www.fem-praxis.de/grundlagen/fem-oder-fea-ein-erklarungsversuch/

(abgerufen am 28.11.2016)

[5] CAE-Wiki, http://www.cae-wiki.info/wikiplus/index.php/Singularit%C3%A4t (abgeru-

fen am 28.11.2016)

[6] Handelsagentur Pelster, http://www.pelster.org/Blindniettechnik.html (abgerufen am

28.11.2016)

[7] Nord-Lock Ltd, http://www.nord-lock.com/de/bolted/the-comparison-bolts-versus-riv-

ets/ (abgerufen am 28.11.2016)

[8] Tec. Lehrfreund, http://www.lehrerfreund.de/technik/1s/verbindungstechnik-schraub-

verbindungen-11/4223 (abgerufen am 28.11.2016)

[9] VVG Befestigungstechnik, https://www.vvg.info/know-how/glossar/blindnietmut-

ter/setzprozess-blindnietmutter/ (abgerufen am 28.11.2016)

[10] Heyman Manufacturing GmbH, https://www.heyman.de/blindnietmuttern/high-torque-

blindnietmuttern-rund/blindnietmuttern-high-torque-rund-stahl.html (abgerufen am

28.11.2016)

[11] R&G Faserverbundwerkstoffe GmbH, http://www.r-g.de/wiki/Kohlefaser-

Halbzeuge_(Rohre,_St%C3%A4be,_Profile) (abgerufen am 28.11.2016)

[12] Composite Point, https://composite-point-shop.de/multikopter/rohrschellenrohrverb-

inder/583/carbon-rohr-t-verbinder-gimbal (abgerufen am 28.11.2016)

[13] Fit & Fight Sports Club, http://www.machdichstark.com/schlagkraft.html (abgerufen

am 28.11.2016)

[14] Der 3M Klebeprofi, http://www.klebeprofi.net/klebe-anleitungen/aluminium-

kleben/#konstruktive-hinweise-zum-aluminium-kleben (abgerufen am 28.11.2016)

[15] Direct Industry, http://img.directindustry.de/images_di/photo-m2/23528-2281263.jpg

(abgerufen am 28.11.2016)

[16] R&G Faserverbundwerkstoffe GmbH, http://shop1.r-g.de/art/153992 (abgerufen am

28.11.2016)

[17] Rose+Krieger GmbH , Light Clamps (Kunststoff-Rohrverbinder) https://www.rk-rose-

krieger.com/deutsch/service/dokumenten-download/kataloge/rohrverbindungs-technik/

(abgerufen am 28.11.2016)

[18] FujiFilm, http://www.fujifilmusa.com/products/optical_devices/machine-vision/1-2-

15/df6ha-1b (abgerufen am 28.11.2016)

[19] Christoph Heckenkamp: Das magische Auge – Grundlagen der Bildverarbeitung: Das

PMD Prinzip. In: Inspect. Nr. 1, 2008, S. 25–28.

Literaturverzeichnis 56

[20] Orbbec, http://shop-orbbec3d-com.3dcartstores.com/assets/images/As-

tra%20n%20Pro%205.jpg (abgerufen am 28.11.2016)

[21] Velodyne Lidar, http://velodynelidar.com/vlp-16-lite.html (abgerufen am 28.11.2016)

[22] LCK. METALL, https://www.aluminium-online-shop.de/de/informationen-und-ser-

vice/legierungsbeschreibung-almgsi1.html (abgerufen am 01.12.2016)

[23] RoboCup Foundation, http://www.robocup.org/leagues/6 (abgerufen am 02.12.2016)

Anhang III

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: RoboCup Match [23] ........................................................................................... 1

Abbildung 2: Grobes Netz (links), feines Netz (rechts) ............................................................ 4

Abbildung 3: Farbflächenplot einer FEM-Berechnung .............................................................. 5

Abbildung 4: Aufbau einer Blindniete (links) und Vorgehensweise des Blindnietens (rechts)

[6] ............................................................................................................................................... 6

Abbildung 5: Durchsteckschraube (links), Einziehschraube (mitte) und Stiftschraube (rechts)

[8] ............................................................................................................................................... 7

Abbildung 6: erste Möglichkeit (links) und zweite Möglichkeit (rechts) ................................. 8

Abbildung 7: Vorgehensweise des Setzens einer Blindnietmutter [9] ....................................... 9

Abbildung 8: Blindnietmuttern per Hand setzen ...................................................................... 10

Abbildung 9: Vorderansicht des alten Torwarts des Teams „Carpe Noctem Cassel“ .............. 11

Abbildung 10: Vorderansicht der Extensions (links) und Hinteransicht der Extension (rechts)

.................................................................................................................................................. 12

Abbildung 11: Torwart des Teams „TU Eindhoven“ ............................................................... 13

Abbildung 12: Erste Idee .......................................................................................................... 14

Abbildung 13: Zweite Idee ....................................................................................................... 16

Abbildung 14: GoPro Aufnahme .............................................................................................. 19

Abbildung 15: Schlagmesser [13] ............................................................................................ 19

Abbildung 16: Netz der ersten Idee (links) und der zweiten Idee (rechts) ............................. 21

Abbildung 17: Berechnete Spannung bei Lastfall 1 der ersten Idee ........................................ 21

Abbildung 18: Berechnete Verschiebung bei Lastfall 1 der ersten Idee .................................. 22

Abbildung 19: Berechnete Verschiebung bei Lastfall 1 der zweiten Idee ............................... 22

Abbildung 20: Berechnete Spannung bei Lastfall 1 der zweiten Idee ..................................... 23

Abbildung 21: Berechnete Spannung bei Lastfall 1 der modifizierten ersten Idee .................. 24

Abbildung 22: Berechnete Spannung bei Lastfall 1 der modifizierten zweiten Idee ............... 24

Abbildung 23: Berechnete Verschiebung bei Lastfall 1 der modifizierten erste Idee .............. 25

Abbildung 24: Berechnete Verschiebung bei Lastfall 1 der modifizierten zweiten Idee ......... 25

Abbildung 25: Berechnete Spannung bei Lastfall 1 der finalen ersten Idee ............................ 26

Abbildung 26: Berechnete Spannung bei Lastfall 2 der finalen ersten Idee ............................ 27

Abbildung 27: Berechnete Spannung bei Lastfall 2 der zweiten Idee .................................... 27

Abbildung 28: Berechnete Verschiebung beim Lastfall 2 der zweiten Idee ............................ 28

Abbildung 29: Berechnete Verschiebung bei Lastfall 2 der finalen ersten Idee ...................... 28

Anhang III

Abbildung 30: Flächen zur Krafteinwirkung, erste Idee (links), zweite Idee (rechts) ........... 29

Abbildung 31: Querschnitt Quadratrohr .................................................................................. 32

Abbildung 32: Berechnete Verschiebung, 15x15x2 (links) und 20x20x1.5 (rechts) ............. 32

Abbildung 33: Berechnete Spannung, 15x15x2 (links) und 20x20x1.5 (rechts) ................... 32

Abbildung 34: Finale Konstruktion ......................................................................................... 34

Abbildung 35: Finale Variante, Parallelität ............................................................................. 35

Abbildung 36: Erste Variante .................................................................................................. 36

Abbildung 37: Zweite Variante ................................................................................................ 36

Abbildung 38: selbstsichernde Schrauben [15] ....................................................................... 37

Abbildung 39: Position des omnidirektionalen Kamerasystem ............................................... 37

Abbildung 40: Abstützung der Kamera ................................................................................... 38

Abbildung 41: Weitere Stützrohre ........................................................................................... 38

Abbildung 42: Direkte Verklebung der Stützrohre mit den Hauptrohren ............................... 39

Abbildung 43: Würfel Variante Hauptrohrseite ....................................................................... 40

Abbildung 44: Würfel Variante Lochplattenseite .................................................................... 40

Abbildung 45: Variante zur Verstärkung der Buchse .............................................................. 41

Abbildung 46: Finale Variante der Buchse .............................................................................. 41

Abbildung 47: Erste Variante mit Fußklemmstücken .............................................................. 42

Abbildung 48: Zweite Variante mit Aluminiumwinkeln ......................................................... 43

Abbildung 49: Aussenhülle ...................................................................................................... 44

Abbildung 50: Sichtfeld der Kamera ....................................................................................... 44

Abbildung 51: Orbbec 3D Astra Pro [20] ................................................................................ 45

Abbildung 52: Erste Variante .................................................................................................. 46

Abbildung 53: Zweite Variante ................................................................................................ 46

Abbildung 54: 3D Laser Scanner ............................................................................................. 47

Abbildung 55: Verbindung der seitlichen Linearführung ........................................................ 48

Abbildung 56: Verbindung U-Profil mit Winkel ..................................................................... 48

Abbildung 57: Verbindung der oberen Linearführung ............................................................ 49

Abbildung 58: Berechnung der Spannung von Flachstange (links) und Winkel (rechts) ...... 49

Abbildung 59: Finale Konstruktion ......................................................................................... 54

Anhang III

Anhang