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
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)
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),
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[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-
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[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