Difference between revisions of "Team Han Solo"

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Revision as of 10:55, 15 February 2019

Prolog

If you want a job done right, do it yourself!

Abstract

Einleitung

In der Blockwoche Medizintechnik DIY, welches im Frühlingssemester 2019 durchgeführt wurde, befassen sich die Studierenden mit dem Thema „Do it yourself!“. Die Gruppe Han Solo besteht aus vier Gruppenmitgliedern aus den Bereichen Medizintechnik, Maschinentechnik sowie Wirtschaftsingenieurwesen. Für das Modul soll bis ende Woche ein Projekt realisiert werden. Das Projekt darf von den Studierenden selbst definiert werden.Das Projekt soll basierend auf elektrophysiologischen Messmodulen (EMG, EKG, EOG, EEG) entwickelt werden. Erste Prototypen werden mit den Mitteln der Digitalen Fabrikation (3D-Drucker, Lasercutter) hergestellt und getestet. Die notwendigen grundlegenden Informationen sollen selbstständig von den Studierenden recherchiert und erarbeitet werden, damit diese ende Woche ein lauffähiges Projekt haben, damit dieses den anderen Studierenden der Blockwoche präsentiert werden kann.Das Modul verbindet Anwendungen der Medizintechnik mit Do It Yourself Ansätzen. Dadurch wird das tiefere Verständnis von Medizintechnischen Geräten durch einen direkten, interdisziplinären und möglichst selbstgesteuerten Zugang gefördert.

Teammitglieder

Curdin Casanova

Curdin ist gelernter Automatiker und studiert im 7. Semester berufsbegleitend Maschinentechnik an der Hochschule Luzern. Nebenbei Arbeitet er mit einem 60% Arbeitspensum bei der Firma V-Zug AG.

Kevin Frey

Absolvierte eine Lehre als Polymechaniker und arbeitete danach mehrere Jahre in der Andritz Hydro AG in der Grossbearbeitung. Im Jahr 2015 startete er das berufsbegleitend Maschinenbaustudium und ist seit dem Sommer 2018 in einem Engineering Team der Andritz Hydro AG.

Regis Andreoli

In Basel aufgewachsen absolvierte Régis seine Erstausbildung an der Wirtschaftsmittelschule Reinach (BL). Nach einem einjährigen Praktikum in der Sensorikbranche studiert er nun im 5. Semester (stand fs19) Wirtschaftsingenieurwesen in Mechanical & Computer Engineering.

Mahareesan Kunabalasingam

Mahareesan Kunabalasingam ist gelernter Elektroniker. Er studiert zurzeit an der Fachhochschule in Luzern(HSLU) Medizintechnik im 4.Semester (stand fs19).

Basics

In den folgenden Abschnitten werden Grundlagen, welche im Kurs erarbeitet wurden, dokumentiert. Ziel dieses Abschnittes ist es, dass zukünftige Teilnehmer dieses Kurses folgende Abschnitte lesen können, um schnell einen Einblick haben und eine Grundlage für die Thematik erlangen.

Löten

Löten ist ein Verfahren zum Verbinden metallischer Werkstoffe mithilfe eines Lotes. Der Schmelzpunkt des Lotes liegt tiefer als die Schmelzpunkte der Grundwerkstoffe. Die Grundwerkstoffe werden beim Löten benetzt, aber nicht angeschmolzen. Im Modul wird das Weichlöten verwendet. Das dafür verwendete Material, welches die beiden Materialen verbindet ist Zinn. Zinn hat eine Schmelztemperatur von 320-335°C. Beim Löten werden zwischen THT und SMD Bauteilen unterschieden. SMD (Surface-mounted device) sind Bauteile welche an der Oberfläche von der Leiterplatte gelötet wird und THT (through-hole technology) werden durch die Leiterplatte hindurchgesteckt, damit diese dann gelötet werden kann.

Beim Löten von THT Bauteilen sollten die Polarisation der Bauteile beachtet werden. Zum Beispiel Leuchtdioden, zum Teil auch Kondensatoren (Elektrolytkondensatoren), Dioden und Mikrocontroller sind polarisiert. Bauteile wie Widerstände, Keramikkondensatoren und Spulen haben keine Polarisation.

Beim Löten wird zuerst eine geringe Menge an Zinn auf die Lötspitze angebracht, um den Wärmekontakt zu begünstigen. Weiter wird mehr Lötzinn unter einem Benetzungswinkels hinzugefügt. Zum Schluss wird der Lötdraht zurückgezogen. Es ist wichtig, dass jede Lötstelle kontrolliert wird, denn eine einzige schlechte Lötstelle kann das Funktionieren eines ganzen Systems infrage stellen.

Arduino

Arduino ist ein Physical-Computing-Plattform. In der Blockwoche werden alle Experimente mit dem Modul realisiert. Dafür stehen verschiedene Plattformen zu Verfügung. Beispielcodes und Versuchsaufbau sind im world wide web zu finden. Eine sehr nützliche Webseite ist www.arduino.cc. Arduino hat diverse Pins, welche der Programmierer als Eingang bzw. als Ausgang definieren kann. Als Ausgang wird ein bsp. folgendermaßen definiert: pinMode(12,OUTPUT); Der Pin 12 als Ausgang definiert. Möchte man einen Eingang definieren, wird das folgendermassen definiert: pinMode(4,INPUT); Der Pin 4 wird als Eingang deklariert und es kann beispielsweise ein Taster angeschlossen werden.

Weitere Eingänge wie zum Beispiel Sensoren können an das Board angeschlossen werden. Aus den Sensoren können Daten generiert werden, welche für weitere Befehle an die Ausgänge verwendet werden kann. So kann Beispielweise aus einem Temperatursensor die Temperatur gemessen werden. Sobald die Temperatur die vorbestimmte Temperaturschwellenwert überschritten hat, kann mit Hilfe von einer Leuchtdiode eine Warnung ausgegeben werden.

Mit der Programmierumgebung von Arduino, IDE Software, können Programme geschrieben werden und diese an den Mikrocontroller geladen werden. Die Programmierumgebung bietet einige Beipspielcodes für gewisse Module. Codes für Servomotoren, Display, Schnittstellen etc. sind im Untermenü Datei/File -> Beispiele/Examples erhältlich. Arduino ist preiswert und bietet für Anfänger eine einfache Programmierumgebung. Durch die vielen Beispiele im Internet bereitet das Programmieren mit dem Arduino auch viel Freude!

CAD

Lasercutter

Arbeitsjournal

Tag 1

Am ersten Tag gab es zu Beginn von den Dozierenden Urs und Marc einen administrativen Block, indem die notwendigen Anforderungen an die Studierenden mitgeteilt wurden. Bis zum Mittag durften die Studierenden ihr Arbeitsplatz einrichten und beginnen mit dem Bestücken und Löten des Moduls "Muscle Spiker Shield".

Resultate: Nach der Anleitung von Backyard Brains konnte das Modul bestückt und in Betrieb genommen werden.

Erkenntnisse: Beim Löten ist ein Fehler passiert. Die Kontaktstellen für das Modul Arduino wurden bei der weiblichen Steckerleisten beim "Muscle Striker Shield" mit einer Seitenschneider ausversehen entfernt. Die Warnung in der Anleitung wurde zu spät bemerkt.

Tag 2

Am zweiten Tag der Blockwoche startete der Unterricht mit der Einführung in die "Skill Share Session". Dabei soll jede Gruppe eine Fähigkeit den anderen Mitstudierenden teilen. Diese Fähigkeit sollte einen Bezug auf die Blockwoche haben. Für die Skill Share Session haben die Studierende Fähigkeiten aufgeschrieben, welche sie mit den anderen teilen möchten, aber auch Fähigkeiten aufgeschrieben, welche sie von den anderen Studieren erlernen konnten. Am Nachmittag wurden dann zwölf Skill Share Session bestummen. Darunter "Fisch entnehmen, Baisic Begriffe in Rätoromanisch, Löten etc."

Im weiteren Verlauf des Tages arbeitete die Gruppe Han Solo an individuelle Aufgaben. Zum einen wurden mit Hilfe eines 3D-Druckers einige Formen gedruckt. Ein weiterer Mitglied beschäftigte sich mit dem Lasercutter und eine Aufgabe bestand verschiedene Experimente mit dem "Muscle Spiker Shield" durchzuführen.

Resultate: Mit dem "Muscle Spiker Shield" konnten die Intensität der Aktionspotenzials, welches am Unterarm abgefangen wurde, mit Hilfe der Leuchtdioden angezeigt werden. Desweiteren konnte im Anschluss ein Lautsprecher an die blaue Buchse vom "Muscle Spiker Shield" angeschlossen werden um das Aktionspotenzial auch akustisch zu hören. Ein weiterer Versuch bestand darin die mit der Intensität einen Servo-Motor anzusteuern. Die gelang bedauerliche Weise nicht. Trotz verschiedenen Lösungsansätzen gelang der erwünschte Effekt nicht. Die Gruppe versuchte mit dem Arduino einen Temperatursensor auszulesen. Die Idee war ein System zu entwickeln, dass den Träger des Systems bei steigender Temperatur oder bei einer erhöhten Körperaktivität kühle Windstösse abgibt. Die Windstösse sollen mit einem Ventilator ermöglicht werden.



Lasercut yoda.jpeg

Um die Fähigkeiten und Möglichkeiten des Lasercutters kennenzulernen wird eine Gravur des legendären Yoda aus der Star Wars trippel Trilogie erstellt und diese in ovaler Form ausgeschnitten.
Als Bearbeitungsprogramm dient RDWorksV8, bei dem der Oval für den Schnitt erstellt wird. Die Yoda Grafik ist eine Vectorgrafik aus dem Internet. Diese kann problemlos in RDWorksV8 integirert und skaliert werden.
Das Material ist 3mm MDF (Mitteldichte Holzfaserplatte). Die länge beträgt etwa 200mm.

Erkenntnisse:

Tag 3

Am dritten Tag der Blockwoche gab es die vorbereiteten Skill Share Sessions von den Studierenden und den Dozierenden. Die Gruppe hat unter anderem an der Skill Share Session "Fische entnehmen" und "Arduino" teilgenommen. Die gewonnen neuen Erkenntnisse und Ablauf des Skill Share Session sind im Kapitel Skill Share Session festgehalten. Weiter wurden an den jeweiligen Projekten weitergearbeitet. Es wurden weitere 3D-Objekte auf dem 3D-Druker gedruckt. Die Wiki-Seite wurde aktualisiert und weiter wurden verschiedene Experimente mit dem Arduino durchgeführt. Kurz vor Mittag besprachen die Teilnehmer der Blockwoche mit den Dozierenden ihre Eindrücke von der Blockwoche. Antriebe, Ziele, Probleme wurden miteinander besprochen. Am Nachmittag widmeten sich die Gruppe wieder ihren Projekten. Dabei sind interessante kleinere Projekte entstanden.

Resultat:

Erkenntnisse:

Tag 4

Am vierten Tag der Blockwoche wurden weitere Experimente durchgeführt. Es wurde ein Theremin do it yourself Bauset realisiert. Es wurde versucht "Alle meine Entchen" auf dem Theremin zu spielen. Ausserdem wurden mit dem "Muscle Spiker Shield" ein Servo-Motor angesteuert. Im Anschluss wurde versucht durch Muskelkontraktion den Servo-Motor zu steuern. Die Überlegung war eine Prothese, welche Gegenstände greifen kann. Leider konnte dieses Experiment nicht erfolgreich getestet werden, da der Spannungsregler nicht vorhanden war. Mit einer zu geringen Spannung konnte der Greifer nicht funktionieren. Ein weiteres Projekt war die Realisierung eines Windrads. Dazu wurde mithilfe vom 3D-Drucker ein Windrad gedruckt und mit wenig Elektronik sollte das Rad zum drehen gebracht werden.

Resultat:


Erkenntnisse: Mit der fehlenden Spannungsregler könnte der Greifer in Betrieb genommen werden.

Tag 5

Tag 6

Experimente

Muscle Spiker Shield DIY

Jede Gruppe erhielt von den Dozierenden ein "Muscle Spiker Shield". Dieses Modul sollte als Gruppe zusammengebaut werden. Die Aufgabe bestand darin das Gerät zu bestücken und zu löten. Mit dem "Muscle Spiker Shield" konnten dann verschiedene Experimente durchgeführt werden. Eines dieser Experimente war die Messung und Darstellung der Intensität der Muskelstärke, welche mit Hilfe der Leuchtdioden Angezeigt werden. Die Intensität konnte dann Arduino-Programm als Kurve dargestellt werden. Auf der x-Achse wird die Zeit dargestellt und auf der y-Achse wird die Stärke angezeigt. Das Maximum der Intensität kann im Programm abgeändert werden. In unserem Beispiel ist das Maximum 120. (#define MAX 120)

Programm:File:Intensität der Leuchtdioden.pdf Im weiteren Verlauf der Experimente wurde mit einem Lautsprecher versucht die Intensität akustisch zu hören. Dafür wurde der Lautsprecher an die blaue Buche am "Muscle Spiker Shield" angeschlossen.Ein Rauschen ist mit einem Lautsprecher gut erkennbar. (Mit dem Kopfhörer kann kein Rauschen wahrgenommen werden, da der Lautstärkenpegel zu klein ist.)

Human-Human-Interface

Das Human-Human-Interface ist eine von amerikanischen Studenten entwickeltes Modul. Es ermöglicht die Steuerung von der Hand von Versuchspersonen. Bei diesem Versuch wird das Signal von einer Person, welches vom Gehirn an dem Arm übertragen wird, abgefangen. Das abgefangene Signal wird dann an eine Person übertragen. Es ermöglich die Steuerung vom Gegenüber. Diese Steuerung wird als Zucken wahrgenommen.

Zum Versuchsaufbau: Bei der Formung einer geballten Faust spannt sich der Unterarmmuskel an. An diesem Muskel werden zwei Elektroden am Arm der steuernden Person befestigt. Diese Elektroden sollten möglichst nahe einander liegen. Eine weitere Elektrode wird auf der Handoberfläche angebracht.

Zwei weitere Elektroden werden auf dem Arm der gesteuerten Person angebracht. Die Elektroden werden dort angebracht, wo der Nerv entlangführt.

Funktion: Das Signal, welches bei der Kontraktion der Unterarmmuskulatur entsteht, wird abgefangen und über den Mikrocontroller weitergeleitet. Die Stärke des Signals wird auf der LED- Anzeige auf dem Print dargestellt. Das Signal wird direkt an die Muskeln der gesteuerten Person weitergeleitet. Da die Signalübertragung vom Hirn über die Nervenbahnen zum Muskel umgangen wird, kann die gesteuerte Person nichts gegen die Bewegung ihres Armes tun. So kann eine Person durch Bewegen ihres Armes den Arm einer anderen Person mitbewegen. Diese Bewegung wird von den beteiligten als «zucken» wahrgenommen.

Temperatursensor

Ein weiterer Versuch war es mit einem Temperatursensor die Temperatur zu messen. Die Idee, welche die Gruppe verfolgte wurde im Kapitel "Arbeitsjournal: Tag 2" erläutert. Es geht um ein System, welches den Träger mit frischen Windstössen abkühlt, falls die Umgebungstemperatur steigt oder seine Körperaktivität zunimmt. Für diesen Zweck wurde im ersten Schritt versucht die Umgebungstemperatur zu ermitteln. Die ermittelten Daten konnten im Arduino-Programm als Monitor angezeigt werden. In weiteren Experimenten sollen nun die Zusammenarbeit zwischen Temperatursensor und Muskelintensität erarbeitet werden.


Programm:File:Temperatursensor.pdf

Blinken

Mit dem Arduino wurde versucht einfache Aufgaben zu erledigen, damit später grössere Projekte realisiert werden konnte. Zu Beginn wurde mithilfe vom world wide web versucht zwei Leuchtdioden zum Blinken zu bringen. An den Pins 12 und 13 werden Leuchtdioden angeschlossen. Die Schaltung ist in der nebenstehenden Grafik abgebildet. Es wurden 100Ohm-Widerstände verwendet.

Programm: File:Blinken.pdf

VIDEO

Taster als Input

Taster und Leuchtdiode.PNG

Das vorherige Programm soll jetzt nun modifiziert werden. Eine Leuchtdiode blinkt und per Tastendruck soll nun die Leuchtdiode solange leuchten bis der Taster wieder losgelassen wird. Die Experimentier-Board wird wie in der nebenstehenden Abbildung beschalten. Für den Taster wurde ein 10kOhm-Widerstand verwendet.

Programm:File:Blinken mit Taster.pdf (VIDEO)

Servo Motor

In einem nächsten Schritt wurde versucht ein Servo-Motor anzusteuern. Ziel ist es eine Prothese zu entwickeln. Eine Prothese, welche Gegenstände greifen kann. dafür wurde zu aller erst einmal versucht die Position des Servo-Motors zu wechseln. Die oragne Verbindung des Servo-Motors wurde an Pin 9 angeschlossen. Die braune Verbindung wird mit Ground und die gelbe Verbindung mit der 5V-Speisung verbunden . Das Programm ist unten angehängt. Es es wichtig zu wissen, dass Servo-Motoren an einem Pin angeschlossen werden müssen, wo eine Pulse-width modulation möglich ist. Im Programm ist eine Header-Datei Servo.h eingebunden und diese steuert den Servo-Motor mit PWM an.

Programm: File:Servo Motor.pdf

Greifer Prothese

Greiferprothese.jpg

Auf der Webseite von Backyard Brains gibt es ein Experiment mit einem Greifer. Das Programm wurde von der Webseite downloaded. Die Beschaltung des Servo-Motor ist folgendermassen: rote Verbindung an 5V-Speisung; braune Verbindung an Ground; orange Verbindung an Pin 2. Das Programm ermöglicht die Steuerung eines Greifes mittels Muskelkontraktionen.

Wichtig: Der Muscle Spiker Shield muss zusätzlich noch durch eine 9V-Batterie gespiesen werden.

Programm: File:Servo Motor mit Muscle Spiker.pdf

Additiv Hergestelltes Nautilus-Getriebe

Um den 3D-Drucker besser kennenzulernen, wurde nach einem interessanten Mechanismus gesucht, der mit konventionellen Herstellungsmethoden nicht oder nur sehr schwierig herstellbar ist. Das „Nautilus-Getriebe“, bestehend aus zwei Zahnrädern die nicht rund, sondern in Form einer Fibonacci Spirale sind, erfüllte die gewünschte Komplexität. Damit die komplizierte Form nicht selber konstruiert werden muss, stand ein 3D-File auf https://grabcad.com/library/nautilus-gear-2 zur Verfügung. Um die Zahnräder ohne Stützmaterial zu drucken, wurden die Files auf dem Konstruktionsprogramm NX12, welches gratis für Studierende der Hochschule Luzern zur Verfügung steht, optimiert. Dabei wurde geachtet, dass kein „überhängendes“ Material, sprich keine Steigung im Raum grösser als 45° beträgt.

Beim 3D Druck Programm „Ultimaker Cura“ wurde bei den Einstellungen die Bohrung der Zahnräder mit 0.5mm Zugabe versehen. Diese Materialzugabe ist nötig, um nach dem Druckvorgang mit einer Reibahle die Bohrung auf einen präzisen und formgenauen Durchmesser aufzubohren. Dazu eignet sich die Ständerbohrmaschine und das Werkzeug von der Elektrotechnik Werkstatt von der HSLU ausgezeichnet. Sind alle Optimierungen und Zugaben definiert, stehen im Fablab zwei verschieden 3D Drucker zur Verfügung. Der Eine besitzt eine 0.4mm, der Andere eine 0.8mm breite Düse. Der Erstgenannte ist durch die feinere Düse genauer in der Fertigung, braucht jedoch mehr Zeit. Da beim „Nautilus-Getriebe“ die Qualität Vorrang hat, fiel der Entscheid auf jenen Drucker mit der feineren Düse.

Nautilus Getriebe.jpg

Fazit: Die Qualität der additiv gefertigten Teile konnte voll und ganz überzeugen. Der Druckprozess muss nicht überwacht werden und der Vorbereitungsaufwand liegt bei einigen wenigen Minuten. Das einzige benötigte Wissen, ist das Beherrschen eines 3D-CAD Programmes, um die komplizierten Geometrien zu konstruieren oder abzuändern. Bei weiteren 3D-Druckversuchen überzeugte auch die „Ultimaker Cura“ Software. Diese ist intuitiv in der Bedienung. Ausgestattet mit einem ausgeklügeltem Algorithmus entscheidet die Software selbst wo Stützmaterial benötigt wird.


Multi Casette Adaptor

Mit einem «Multiple Casette Adaptor” kann ein portabler Player auf unkomplizierter Weise an einem Autoradio mit Kassettenschacht angeschlossen werden. Einer dieser Adapter stand zur Verfügung, funktionierte jedoch nicht mehr. So wurde ein Adapter auseinandergenommen und analysiert. Mit einem Multimeter wurde die Verkabelung auf mögliche Wackelkontakte untersucht und dabei stellte man fest, dass das verbaute AUX-Kabel einen Unterbruch aufwies. Dieses Kabel wurde daraufhin ersetzt wobei die erlernten Löt-Kenntnisse an einem praktischen Beispiel angewendet werden konnten.

Projekte

Theremin

Geschichte

Das Theremin ist ein elektronisches Musikinstrument welches berührungslos gespielt wird. Es wurde 1920 vom russischen Physikprofessor Lew Sergejewitsch Termen (später Leon Teremin) erfunden. Das Instrument war zu seiner Zeit etwas vollkommen Neues. Bislang war man gewohnt, dass elektronische Instrumente über eine Klaviatur gespielt wurden. Beim Theremin hingegen werden die Töne auf wundersame Weise berührungslos, allein durch Handbewegungen in der Luft, erzeugt. Die Lautstärke wurde bei diesem ersten Instrument noch über ein Pedal gesteuert. Erst zwei Jahre später ließ sich mit der zweiten Hand auch die Lautstärke berührungslos beeinfl ussen. Mitte der 1920er-Jahre gelang es dann auch, einen Lautsprecher an das Theremin anzuschließen, zuvor konnte man seine Töne nur über einen Kopfhörer oder einen Trichter hören.

Skill-Share Session

Rätoromanisch

In der Skillshare - Session "Rätoromanisch" wurde auf die historische Entwicklung der 4. Landessprache der Schweiz eingegangen. Zudem wurde anhand von Beispielen die markanten Unterschiede zwischen den verschienden Idiomen verdeutlicht. Am Ende der Session konnten die Kursteilnehmer den Kursleiter Wörter und Sätze fragen, welche sie übersetzt haben wollten.

4. Landessprache Rätoromanisch (1963) | SRF Archiv [1]

Allgemeine Informationen

  • ca. 60'000 sprechende Personen (Volkszählung 2000)
  • 5 verschiedenen Idiome
  • In der Verfassung verankert (4. Landessprache)
  • Einheitsromanisch (Rumantsch Grischun)
  • Auf Unesco Liste der bedrohten Sprachen

Arduino

Fisch entnehmen


Zwei Teamkameraden der Gruppe Han Solo besuchten die Skill Share Session Fisch entnehmen. Ziel dieses Workshops ist zu lernen, wie die Organe eines Fisches entnommen werden, um diesen bis zur Verzehrbereitschaft zu veredeln.


Zusammenfassend kann der Fisch entnehmen Workshop als gelungene Abwechslung am Technikum gelobt werden. Voraussetzung ist eine stabile Verfassung gegenüber Organische Texturen sowie die Gelassenheit, für die kommenden paar Stunden nach Fisch u.o. /-Inereien zu duften.

...

Reflexion

Epilog

"It takes half of your life before you discover life is a do-it-yourself project, Napoleon Hill"


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