Akkupack im Selbstbau

Obwohl Akkus eine Nennspannung von ca. 1.2V im Vergleich zu den 1,5V einer herkömmlichen Batterie haben, sollte man sie nicht unterschätzen. Akkus können sehr hohe Entladeströme bzw. Kurzschlussströme liefern und dabei sehr heiss werden.
Beim Akku-Pack von Fischertechnik wird explizit damit geworben, dass er eine Kurzschlusssicherung enthält. Sehr beruhigend - wir alle haben ja schon mal von explodierten Handies oder fehlerhaften Laptop-Akkus gehört und die Gefahren, die ein Akku-Pack anrichten kann.

Zunächst ein kleiner Vorgriff auf das Ziel meiner heutigen Bastelarbeit - ein Akku-Pack
im Selbstbau mit einzeln ladbaren Zellen.

7 NiMH Zellen (Grösse AA) haben im Batteriehalter ziemlich genau die Grösse des Akku-Packs von Fischertechnik. Neben den nominalen 8,4V kann man durch die Verwendung von stärkeren Zellen (hier 2700 mAh) sogar noch etwas mehr Kapazität verbauen.

Wie man in der Abbildung sehen kann, habe ich den Platz für die 8. Batterie im Batteriehalter für eine kleine Schaltung genutzt, die mit Heisskleber befestigt ist.

Neben den zwei Buchsen (+ und - Anschlüsse) sind hier noch zwei PTC Elemente parallel zueinander geschaltet.

PTCs sind rückstellende Sicherungen, die es in verscheidenen Ausführungen gibt. Wenn der Stromfluss einen gegebenen Wert (I_hold) übersteigt, wird die Sicherung ausgelöst. Die Komponente erwärmt sich und erhöht dabei ihren Widerstand und dämmt so den Stromfluss fast vollständig ein. Dies geschieht innerhalb von wenigen Sekunden.

Die von mir verwendeten PTCs stammen von Reichelt ("PFRA 050") und haben folgende Werte:

Ihold: 0,50 A

Itrip: 1,00 A

Tripzeit: 4,0 s

Ich hatte auch noch den "PFRA 025" und den "PFRA 075" ins Auge gefasst. Letztlich möchte man ja verhindern, dass ein Kabel oder eine Schaltung durchschmort, daher will man eine möglichst schnell reagierende Sicherung. Daher habe ich etwas herumprobiert.

Die Werte habe ich in der Praxis durch eine Vergleichsmessung überprüft (Jeweils nur eine einzelne Messreihe, ich wollte ja den Akku nicht quälen).

Das Multimeter hängt (via USB) an einem COM-Port des PCs und zeichnet die Messwerte auf. Das Messgerät ist auf 20A eingestellt. Ich habe einmal den Kurzschlussstrom am Fischertechnik Akku-Pack gemessen und einmal den Selbstbau (die Messungen mit den alternativen Bauteilen habe ich nicht aufgezeichnet)

Der Selbstbau-Akku bietet einen vergleichbaren Schutz an. Nach 3-4 Sekunden riegelt die Schutzschaltung ab und der Stromfluss von mehren Ampere wird auf unter 500 mA begrenzt.

Gelegentlich werde ich die Zellen wohl einzeln Laden, was die Akkus länger leistungsfähig halten sollte, denn die Zellen sind nie gleich "stark". Das Ladegerät sollte sich mit einem Stück Kabel auch an den Selbstbau-Akku anklemmen lassen (ich hab den Abstand der Anschlüsse nicht exakt an den Abmessungen des Ladegerätes ausgerichtet)

Übrigens:

Das Multimeter, mit dem ich die Messreihen erstellt habe, stammt noch aus den frühen 90ern. Die Originalsoftware für DOS hätte ich sogar noch auf einer 5 1/4 Zoll Diskette, nur eben kein Laufwerk mehr zur Hand. Die serielle Schnittstelle des Multimeters liesse sich zwar sehr einfach auslesen (Im Handbuch ist etwas QBASIC Beispielcode), aber glücklicherweise gibt es noch passende Software im Netz, die einem die Arbeit abnimmt:

• Metex Contol Software (client download)
• MScope

Links
Innenleben des Originalakkupacks: http://www.ftcommunity.de/categories.php?cat_id=822

Alternative Buchse für ft-Stecker zum Auflöten

Es gibt in den Fischertechnik-Foren und auf Fan-Seiten einige Tipps zu alternativen Ersatzteilen. Leider habe ich bislang nichts brauchbares gefunden, um bei eigenen Projekten passende Steckverbinder direkt auf der Platine anzubringen.

Per Zufall (bzw. beim Suchen) bin ich bei Conrad auf sogenannte "Aderendhülsen" gestossen.
Die gibt es mit Plastikgragen (isoliert) oder eben ohne.

Aderendhülsen ohne Kunststoffkragen DIN 46228/4 Silber Vogt 

100 Stück

Querschnitt x Länge: 2,5 mm² x 8 mm

[Preis: ~ 2 Cent pro Stück]

Normalerweise werden damit Kabel, die aus einzelnen Adern bestehen, an den Enden zusammengequetscht. Der Querschnitt von 2,5 qmm ist eigentlich zu klein (rechnerisch 1,78mm Durchmesser). Ich vermute aber, dass noch etwas "Luft" zwischen den Adern mitberechnet wird. Denn der nächst grössere Querschnitt von 4 qmm (Durchschnitt ~2,26 mm) ist bereits so gross, dass der ft Stecker (mit 2,5mm Durchmesser angegeben) bereits zu viel Spiel hat.

Die Hülsen mit 2,5 qmm Querschnitt lassen sich allerdings etwas dehnen. Hierzu wäre vermutlich eine Nietzange ideal. Ich habe mir mit einer alten Zange aus der Werkzeugkiste beholfen, wie sie oben abgebildet ist.
Mit leichtem Druck und möglichst gerade jeweils eine Hülse gegen die Tischplatte drücken.

Im Ergebnis sieht es dann so aus:

 Man erkennt in der Abbildung deutlich wie der Rand gedehnt ist und die Manschette durch den Druck umgebogen wurde.

Hier ein erster Test auf einem Rest Lochrasterplatine:

Wenn man die Hülse zwischen 4 Lötaugen zentriert auflötet, hat sie bereits genügend Halt. Sonst könnte man bestimmt auch noch einen draht zusätzlich durch die Löcher fedeln. Scheint mir aber im Moment nicht nötig zu sein. Da mein erstes Arduino-Fischertechnik Interface mit den Lüsterklemmen eigentlich ganz gut aussieht, werde ich mir diese Lösung für kleine Projekte aufheben,  bei denen ich die Schaltung ohnehin auf Lochraster aufbauen werde.

Alternativen:

• Lüsterklemmen (siehe Arduino UNO-Posting)
• Steckerbuchsengehäuse 28-polig : Wurde früher bei den ft-Interfaces verwendet und über ein Flachbandkabel mit dem eigentlichen Interface verbunden.
• Bundhülse : Das sind die Buchsen, die im Fischertechnik Controller TX verbaut sind. Allerdings müsste man dann jeweils 3mm Bohrungen auf der Platine vorsehen.

Fischertechnik Linksammlung

Es gibt bestimmt bessere Lösungen Links zu sammeln, aber hier mal eine kleine Leseliste mit interessanten Quellen:

http://www.fischertechnik.de :  Die offizielle Seite des Herstellers. Fan-Club-Tag (siehe Info->Termine): Einmal jährlich kann man die Fertigung übrigens besichtigen - noch ein Vorteil, wenn Spielzeug nicht in Asien von Kindern für Kinder gefertigt wird.

http://www.fischerfriendswoman.de/ : Mein Lieblings-Gebrauchtteilehändler. Hier findet man auch "historische" Teile zu fairen Preisen. [liefert auch in die Schweiz zu guten Konditionen und abzüglich der MwST].

http://www.knobloch-gmbh.de/ : Der offizielle Einzelteilehändler (er baut wohl auch die Computing-Interfaces für Fischertechnik)

Die Hobbybücher der 70er Jahre als PDF :
http://www.ftcommunity.de/downloads.php?kategorie=Hobbyb%FCcher

Das aktuelle Fan-Heft (ft:pedia) mit tollen Ideen und Tipps:
http://www.ftcommunity.de/ftcomm.php?file=ftpedia

Historische Fanhefte: http://www.ericbouten.nl/english/clubmagazine.html
    [German magazines: 1968, 1969, 1970, 1971, 1972, 1973, 1974, 1975, 1976, 1977, 1978 en 1979.]

Didaktisches Begleitheft zu den "Da Vinci Machines":
http://www.fischertechnik.de/ResourceImage.aspx?raid=1720


Noch ein paar selbsterklärende Links:
http://www.ft-fanarchiv.de/
http://www.fischertechnik-museum.ch/html/museum.html
http://www.ftcommunity.de/downloads.php
http://www.kinder-technik.de/fischertechnik/alternative-bauteile/uebersicht-alternative-bauteile-fur-fischertechnik.html
http://www.youtube.com/user/fischertechnikTV

Industrieroboter, Arduino und ein Gamecontroller

Wie in einem früheren Post beschrieben, möchte ich Fischertechnik Modelle mit Arduino steuern. Der Hardware-Testaufbau besteht zunächst aus dem bereits beschriebenen, unmodifizierten Arduino UNO mit Motor-Shield und dem Dreiachs-Roboter aus dem Fischertechnik "Industry Robots II"-Kasten.

Als erstes Etappenziel wollte ich den Roboter nicht autonom programmieren (im Gegensatz zu einem "Teach-In" Roboter, bei dem man einen Ablauf aus X-Y-Z Koordinaten speichert, die dann später vom Dreiachs-Roboter beliebig oft abgespult werden), sondern den Roboter mit einem Gamepad ansteuern [Eigentlich ein XBox Gamecontroller (DirectInput), aber Controller ist in diesem Zusammenhang mehrdeutig.].

Die Lösung entspricht einer Client-Server Lösung:

1. Das Gamepad wird an den PC angeschlossen. Das GUI läuft auf dem PC.
2. Der PC kommuniziert über ein serielles Protokoll (USB, RS232, Bluetooth) mit der Mikrocontroller-Hardware.
3. Die Mikrocontroller-Hardware (Arduino) steuert entsprechend die Motorentreiber-Bausteine und Ausgänge an.

Software-Bausteine (Arduino-Seitig):

• Motor Shield Library
• Protokoll (Idee), um dem Arduino via serielle Schnittstelle Steuerbefehle für die Motoren und zum Auslesen der Eingänge zu senden.
• Interrupt-Library  (pinchangeint) für beliebige Pins, um später die Counter zu realisieren.

Das Protokoll:
Das Protokoll selbst ist extrem einfach gehalten.
Ein Befehl besteht aus einem Zeichen Befehlswort, plus einer Nutzlast und ggf. noch einem "/" als Ende der Nutzlast.
Jeder Befehl erwartet eine Antwort. Dies erleichtert das Synchronisieren. Der Arduino hat nur einen
sehr kleinen Send/Receive-Buffer für die serielle Kommunikation. Aus diesem Grunde ist das Protokoll auch minimalistisch (wenig geschwätzig) gehalten. Aber gerade so, dass man zum Debuggen die Befehle auch von Hand in ein Terminal eingeben kann, um den Client zu simulieren.

Beispiele:
 311180/     -> Motor Kommando (3), Motor 1, Forward, Speed <180>, sprich: Den Motor 1 in Forwärtsrichtung bewegen (Tempo 180).

2117/   -> Aktiviert einen Zähler auf Pin 17.
2217/   -> Auslesen des Zählers auf Pin 17.
usw.

Spezifikation (kann ändern!):

//  1 = Read:
//      1 = digital: + "pin number"
//      2 = analog: + "pin number"
//
//  2 = Counter Operations:
//     1 = Enable Counter: + "pin number" + "/"
//     2 = Read Counter: + "pin number" + "/"
//     3 = Reset Counter: + "pin number" + "/"
//     4 = Disable Counter: + "pin number" + "/"
//
//   3 = DC Motor (Motor Shield):
//       "motor number"
//       1 = Forward <speed>    [example: 3m1xxx]
//       2 = Backward <speed>   [example: 3m2xxx]
//       3 = Release / Stop
//       4 = SetSpeed
//           "speed"

PC-Seitige Bausteine:

• Visual Studio Express 2012: Als Entwicklungsumgebung für den C# code.
• SlimDX Framework : Eine schlanke Lösung, einen Controller (DirectInput / XInput) abzufragen, inklusive Beispielcode, den ich für meine Zwecke angepasst habe. [Sonst muss man zunächst riesige SDKs installieren]
• Selbstgeschriebener Code für das Arduino-Protokoll
• Fischertechnik-Bibliothek für .NET (Ich wollte Interface-agnostisch vorgehen: Wie man im Screenshot sehen kann, lässt sich der Wrapper für die Bibliothek auswählen, je nachdem, ob man einen TX Controller oder das Arduino Interface ansteuern möchte.

Hier ein Screenshot des aktuellen GUIs.

Die Counter:

Die Idee ist, hier Impulse, also Zustandsänderungen am Eingang zählen zu können, wie sie ein Encoder oder die Taster an den Achsen des Roboters liefern (Die Achsen haben kleine Impulsräder).

Das Problem dabei ist, dass Signale, die von einem Taster kommen, meist nicht entprellt sind. Hier muss man noch etwas tricksen (de-bouncing!). Sonst zählen wir viele kleine Spitzen, während der Schalter schliesst.

Das Ganze ist noch unvollendet. - Nur eines von vielen Hobby-Projekten.
Was noch zu tun wäre:  Ein echtes Teach-In Programm: Über die Counter sollte die Position des Roboters ermittelt werden. Die Strecke lässt sich dann später speichern und abfahren. Dies ist dann auch ohne Gamepad möglich.

Den Code werde ich dann nach Fertigstellung komplett posten. Ansonsten gibt es aber auch Code bei anderen ähnlichen Projekten. Vielleicht ohne DirectInput/XInput oder nicht .NET, aber viel Spass beim Basteln :-)

Ähnliche Bastelarbeiten im Netz (nur eine Auswahl):
Fischertechnik per Gamepad/Joystick steuern (hier, hier und hier)

Update: Hier ist noch eines, das vielversprechend aussieht: http://www.mathias-wilhelm.de/arduino/projects/arduino-control/

Ausblick

Wie oben angedeutet, hat die Sache noch mehr Potential: Ein fahrendes Robotermodell könnte via Bluetooth gesteuert werden. Da müsste ich dann die Ansteuerung der Fischertechnik-Encodermotoren genauer ansehen. Weiterhin habe ich ein paar Ultraschall-Distanzsensoren (HC-SR04), der ggf. auch mit dem TX Controller zusammen funktioniert (für den Arduino gibt es Beispielcode im Netz).
Und noch ein paar andere Ideen. Mehr dazu später.

Arduino UNO an Fischertechnik anpassen

Wie ist das mit der elektrischen Eisenbahn? Man(n) kauft sie für die Kinder, aber am Ende spielt man doch lieber selbst damit.
Ähnlich verhält es sich wohl mit Fischertechnik auch. In meiner Jugend hatte ich ein paar Kästen. Die frühen Computing-Interfaces für den C64 waren aber nicht erschwinglich, dennoch fand ich sie interessant. Um die Geschichte kurz zu machen: Ich habe mittlerweile die aktuelle Fischertechnik Computing Reihe im Hause, aber leider viel zu wenig Zeit, damit etwas zu machen.

Meine Sammlung aus Jugendtagen habe ich um folgende Baukästen der Computing-Serie ergänzt.

• ROBO TX Controller
• ROBO TX Training Lab
• Industry Robots II

(weitere werden nun nicht verraten).

Bild des aktuellen ROBO TX Controllers

Der ROBO TX Controller ist ein super Gerät zu einem fairen Preis, wenn man bedenkt, was dieses Gerät alles kann. Alle Ein- und Ausgänge sind gegen Kurzschluss und Überspannung gesichert (sagt der Hersteller. Durchprobiert habe ich das noch nicht). Die Ausgänge können 9V Motoren ansteuern, die 8 Eingänge können sowohl digital als auch analog beschaltet werden. Es gibt 4 extra Zählereingänge. Der TX verfügt über ein Display, Bluetooth und auch eine USB-Schnittstelle. Weiterhin kann der Controller Programme autonom ausführen, die zuvor in der graphischen Programmierumgebung erstellt wurden oder im Online-Betrieb über eine beliebige Programmiersprache vom PC aus kontrolliert werden.


"Commodity"

Andererseits gibt es seit einiger Zeit im Internet ein Embedded-Hardware-Projekt namens "Arduino". Die Hardware ist modular aufgebaut (aufsteckbare "Shields"), ebenso die Programme (Libraries und "Sketches").
Die C/C++ Progammierumgebung ist einfach genug, damit auch Anfänger und Interaktionskünstler ihre Programme schnell auf das Gerät bringen können. Vor allem besteht ein minimaler Arduino im Wesentlichem aus dem Mikrocontroller. Die Community ist gross, so findet man viele Anregungen und Bibliotheken im Netz.

Ich habe mich zunächst für zwei sehr gängige Komponenten entschieden:

• Arduino UNO R3 (mit gesockeltem ATmega 328 - sicher ist sicher)
• Motor Shield für vier DC Motoren 

Als spätere Erweiterungen habe ich noch etwas Zubehör bestellt: ein Bluetooth Modul, Ultraschallsensoren, USB-Seriell-Wandler und einige Komponenten zum Selberbau kleiner ATmega / ATtiny Schaltungen.


Die Hardware-Seite

Das Motor Shield ist schnell auf das Arduino Board gesteckt. Aber es bleiben 2 Probleme:

1. Gehäuse für den Controller bzw. Befestigung am Fischertechnik-Modell
2. Verkabelung

Zum ersten Punkt: Fischertechnik ist ein Konstruktionsspielzeug. Ein Gehäuse lässt sich also notfalls aus den Steinen (als Rahmen) und Platten zusammenstellen.

Ich habe mich letztlich dafür entschieden, eine rote Grundplatte 9cm x 9cm zu verwenden. Mit etwas Heisskleber unterhalb der vier Bohrungen des Arduino Boards lässt sich der Controller mittig auf der Oberseite der Grundplatte befestigen. Die Unterseite bleibt frei, um mit weiteren Steinen verbunden zu werden.

Verkabelung: Wie man beim original Fischertechnik-Controller erkennen kann, bedeuten viele Eingänge und Ausgänge auch, dass man Platz für viele der kleinen Fischertechnik Mini-Stecker schaffen muss. Jeder Ein- und Ausgang wird prinzipiell über ein Steckerpaar verbunden.
Beim Arduino mit Motorshield haben wir 4 Ausgänge für DC-Motoren und 8 Eingänge ohne Modifikationen zur Verfügung [offizielle Bezeichnungen: A0 - A5,; D9, D10 (über die ungenutzten Servo-Ausgänge) Pin 2 wäre noch frei, Pin 13 ungenutzt, aber schwerer zugänglich]

Wir benötigen also Anschlüsse für 8 Stecker (Motorenausgänge) und 12 bzw. 16 Stecker (6 bzw. 8 Eingänge).

Die billigsten Lüsterklemmen erwiesen sich hier als ideal:

Wie man auf dem Bild erkennen kann, habe ich unten mit einem Cutter jeweils ein Stückchen Plastik entfernt, damit die ft-Ministecker besser passen. Die Schrauben brauchen nur ganz leicht angezogen werden. Ebenso sieht man, wie diese Klemmen wiederum mit Heisskleber wunderbar auf der Grundplatte befestigt werden können.

Im folgenden Bild sieht man die Klemmen: Links und oben befinden sich die Eingänge, Rechts sind die Motorenausgänge:

Die Motorausgänge werden von den kleinen blauen Klemmen zu den weissen "Ports" geführt. Ich hätte auch kürzere Leitungen nehmen können. Zugegeben, die Befestigung auf der Grundplatte war nicht die erste Überlegung.

Auf dem Motor Shield befindet sich ein Block aus 3x6 Pfostenleisten für die Ausgänge A0..A6 (plus jeweils GND und +5V). Ein Stück eines alten IDE-Kabels passt hier, um die 6 Ausgänge und Masseleitungen an die Anschlussklemmen zu führen.

Was man am Bild noch deutlich sieht: Es handelt sich in der momentanen Fassung eher um Erwachsenenspielzeug:

• Die Bauteile liegen offen und die Ein- und Ausgänge sind nicht wirklich gesichert gegen Verpolung, Überlast, etc. Ersteres lässt sich durch den Bau einer Abdeckung aus Steinen lösen. Aber momentan finde ich es so ganz schön :-)

Wie man weiterhin sieht, erfolgt die 9V Stromversorgung über ein Steckernetzteil. Ein Adapter auf den Fischertechnik-Akku lässt sich aber leicht herstellen.

Links

Innenleben des Original Fischertechnik-TX Controller: hier

Nettes Projekt...
Mittlerweile habe ich gesehen, dass Dirk Grebe eine ähnliche Idee verfolgte und einen minimalen Arduino (inkl. Treiberbaustein für 2 Motoren) in ein Fischertechnik-Batteriegehäuse eingebaut hat:

Arduino controller mini  (http://www.ftcommunity.de/categories.php?cat_id=2677)