Robowl - Jugend Forscht 2004

This is the Jugend Forscht project which I submitted in the year 2004. It was also my “Facharbeit” to pass the German Abitur.

I have built a ball shaped fully directional movable and remote controlable robot. The name of the project is “Robowl”: a robot built out of two perspex bowls.

The shifting of weight of the inner construction is causing the movement of the outer ball.

The movement is achieved by four motors mounted on two axis inside the ball. As one can see the accumulators are placed on the bottom of the ball. Their weight is used to improve the effect of moving the outer ball.

The heart of the electronics is an AVR AtMega16 mikrocontroller. It controls the four motors via an integrated motor driver as well as receives and sends information using a dect modem at a speed of 115.2 kBaud (not shown in the picture). Several other functions include measuring of supply voltages as well as currents, battery management and sensors (e.g. temperatures).

On the second board the motor driver and three switching power supplys for motors, electronics and dect modem are mounted.

It also includes an AVR mikrocontroller and two potentiometers for X and Y movement control. The display shows various status information from the robot.

The most difficult part was to get the perspex bowls. They were manually constructed by a company specialized on perspex processing.

After finishing the construction the robot had to be exactly balanced to achieve a smooth movement.

This is the abstract of my work in German language:

Es gibt Roboter verschiedenster Größen, Bauweisen und Fortbewegungsarten. Neben unbeweglichen (Industrie-) Robotern, Flugrobotern, Schwimmrobotern oder Tauchrobotern machen Roboter, die sich auf dem Land fortbewegen, die größte Gruppe aus. Diese kann man grob nach ihrer Fortbewegungsweise in zwei Arten unterteilen, einmal die Laufroboter mit beinähnlichen Konstruktionen und Fahrroboter, die durch Räder oder auch einen Kettenantrieb fahren können. Unter den Laufrobotern gibt es spinnenförmige achtbeinige, sechsbeinige, aber auch menschenähnliche zweibeinige Maschinen, darunter der bekannte „Asimo“ oder der „P3“, die beide schon sehr menschennah laufen oder auch Treppen steigen können. Fahrroboter haben meist drei oder vier Räder, aber auch Roboter mit sechs oder gar zwei Rädern existieren. Ein sehr berühmtes Beispiel für Roboter mit sechs Rädern sind natürlich die Rover „Spirit“ und „Opportunity“, die zur Zeit auf dem Mars eingesetzt werden.

Mein Jugend Forscht Projekt lässt sich wohl am besten in die Reihe der Fahrroboter einordnen, wenn auch der Roboter nicht wirklich an einen typischen Fahrroboter mit Rädern erinnert. Vielmehr besteht das gesamte Fahrzeug aus einem einzigen Rad, einer Kugel. Die Kugelaußenfläche dient hierbei als Reibfläche und stellt den Kontakt mit dem Boden her. Durch Verlagerung des Schwerpunktes kann sich die Kugel rollend fortbewegen. Antrieb, Steuerungselektronik und Stromversorgung befinden sich im Inneren der Kugel.

Diese Art der Fortbewegung hat mehrere Vorteile:

Der Roboter kann quasi konstruktionsbedingt nicht umfallen. Die meisten Lauf- und Fahrroboter können sich, sollten sie z.B. nach einer Kollision umfallen, nicht wieder aufrichten.

Der Roboter kann sehr einfach absolut wasser- und gasdicht konstruiert werden. Die gesamte Mechanik und Elektronik befindet sich im Inneren der Kugel. Keine Kabelverbindungen oder z.B. Achsen für Räder müssen nach außen geführt werden.

Je nach Art des Kugelmaterials kann der Roboter harte Kollisionen oder gar Stürze aus einigen Zentimetern, ja gar Metern Höhe unbeschadet überstehen.

Der Roboter hat einen eigenen kleinen Mikrocomputer, der über eine Funkverbindung Steuerbefehle entgegen nimmt und Telemetriedaten an eine Fernsteuerung weiter gibt. Über verschiedene Sensoren können Messwerte wie Batteriestand oder Stromverbrauch ermittelt werden. Auch der Anschluss an einen PC ist möglich.