a new open source 3d-printable mobile robotic platform for education

8/6/2019 A New Open Source 3D-printable Mobile Robotic Platform for Education

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C h a p t e r 1

A N e w O p e n S o u r c e 3 D - p r i n t a b l e

M o b i l e R o b o t i c P l a t f o r m f o r E d u c a t i o n

J . G o n z a l e z - G o m e z , A . V a l e r o - G o m e z , A . P r i e t o - M o r e n o , M . A b d e r r a h i m

A b s t r a c t I n t h i s p a p e r w e p r e s e n t t h e M i n i s k y b o t , o u r n e w m o b i l e r o b o t

a i m e d f o r e d u c a t i o n a l p u r p o s e s , a n d t h e u n d e r l y i n g p h i l o s o p h y . I t h a s t h r e e

n e w i m p o r t a n t f e a t u r e s : 3 D - p r i n t a b l e o n l o w c o s t r e p r a p - l i k e m a c h i n e s , f u l l y

o p e n s o u r c e ( i n c l u d i n g m e c h a n i c s a n d e l e c t r o n i c s ) , a n d d e s i g n e d e x c l u s i v e l y

w i t h o p e n s o u r c e t o o l s . T h e p r e s e n t e d r o b o t i c p l a t f o r m a l l o w s t h e s t u d e n t s

n o t o n l y t o l e a r n r o b o t p r o g r a m m i n g , b u t a l s o t o m o d i f y e a s i l y t h e c h a s s i s

a n d c r e a t e n e w c u s t o m p a r t s . B e i n g o p e n s o u r c e t h e r o b o t c a n b e f r e e l y

m o d i e d , c o p i e d , a n d s h a r e d a c r o s s t h e I n t e r n e t . I n a d d i t i o n , i t i s e x t r e m e l y

c h e a p , b e i n g t h e c o s t a l m o s t e x c l u s i v e l y d e t e r m i n e d b y t h e c o s t o f t h e s e r v o s ,

e l e c t r o n i c s a n d s e n s o r s .

1 . 1 I n t r o d u c t i o n

M o b i l e r o b o t i c s i s i n c r e a s i n g l y e n t e r i n g t h e c u r r i c u l a o f m a n y t e c h n i c a l s t u d -

i e s . R o b o t i c s i s g a i n i n g t e r r a i n i n i n d u s t r y a n d c o n s e q u e n t l y m o r e r m s a r e

r e c r u i t i n g c a n d i d a t e s w i t h e x p e r i e n c e i n r o b o t p r o g r a m m i n g . F o r t h i s r e a -

s o n , m a n y u n i v e r s i t i e s a r e t e a c h i n g r o b o t i c s i n t h e i r m a s t e r a n d d e g r e e s

p r o g r a m m e s [ 1 3 , 1 1 ] .

A c o m m o n a p p r o a c h w h e n t e a c h i n g r o b o t p r o g r a m m i n g i s t h e u s e o f s i m -

u l a t i o n s , i n w h i c h t h e u s e r c a n c r e a t e d i e r e n t r o b o t c o n g u r a t i o n s w i t h l o w

e o r t . T h e s e a d - h o c r o b o t s c a n b e a l s o s h a r e d w i t h o t h e r p e o p l e , m u l t i p l y i n g

t h e n u m b e r o f o u t - o f - s h e l l p l a t f o r m s [ 3 , 5 ] . F u r t h e r m o r e , t h e c o s t i s z e r o , y o u

J . G o n z a l e z - G o m e z , A . V a l e r o - G o m e z , M . A b d e r r a h i m

R o b o t i c s L a b , C a r l o s I I I U n i v e r s i t y o f M a d r i d , S p a i n ,

e - m a i l : { j g g o m e z , a v g o m e z , m o h a m e d } @ i n g . u c 3 m . e s

A . P r i e t o - M o r e n o

A u t o n o m o u s U n i v e r s i t y o f M a d r i d , S p a i n , e - m a i l : a p r i e t o @ u a m . e s

1


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2 J . G o n z a l e z - G o m e z , A . V a l e r o - G o m e z , A . P r i e t o - M o r e n o , M . A b d e r r a h i m

m a y h a v e a s m a n y r o b o t s a s y o u w a n t , a n d t h e y w i l l n e v e r b r e a k . B u t t h i s

s o l u t i o n h a s o n e d r a w b a c k : s i m u l a t e d r o b o t s a r e n o t l i k e r e a l r o b o t s . T h i n g s

w o r k i n g o n s i m u l a t i o n m a y n o t w o r k t h e s a m e o n a r e a l p l a t f o r m . I n a d d i t i o n ,

s t u d e n t s w i l l n o t e n j o y t h e s a m e t e s t i n g t h e i r i d e a s o n a r e a l r o b o t t h a n o n

a s i m u l a t e d o n e .

F i g . 1 . 1 L e f t : T h e n e w M i n i s k y b o t v 1 . 0 r o b o t . R i g h t : T h e e d u c a t i o n a l s k y b o t r o b o t

S h o u l d i t n o t b e g r e a t t h a t r o b o t s c o u l d b e s h a r e d i n t h e s a m e w a y t h a t

c o d e i s s h a r e d ( l i k e i n s i m u l a t i o n ) ? I f t h i s c o u l d b e p o s s i b l e r e s e a r c h e r s , p r o -

f e s s o r s a n d s t u d e n t s c o u l d s h a r e t h e i r o p e n s o u r c e r o b o t s t h r o u g h t h e i n t e r -

n e t , e x c h a n g e i d e a s w i t h o t h e r r e s e a r c h g r o u p s , c o m p a r e p r o t o t y p e s , t e s t t h e i r

a l g o r i t h m s o n d i e r e n t c o n g u r a t i o n s , e v o l v e p r o p o s a l s f r o m o t h e r s . . . , s u c h

a n i d e a i s n o w p o s s i b l e a n d a o r d a b l e t h a n k s t o t h e o p e n s o u r c e R e p r a p - l i k e

3 D p r i n t e r s [ 4 ] .

T h i s o p e n s a n e w w a y o f t e a c h i n g r o b o t i c s w i t h t h e f o l l o w i n g a d v a n t a g e s :

F a s t p r o t o t y p i n g o f r o b o t i c p l a t f o r m s .

L o w c o s t p r i n t i n g o f r o b o t p a r t s .

E a s y r e c o n g u r a t i o n a n d a d a p t a t i o n o f t h e p l a t f o r m ( e v o l u t i o n ) .

E a s y s h a r i n g o f r o b o t m o d e l s a m o n g p e o p l e .

M o t i v a t i o n f o r s t u d e n t s n o t o n l y t o i m p l e m e n t a l g o r i t h m s o n a n e x i s t i n g

p l a t f o r m b u t a l s o t o d e s i g n a n d b u i l d n e w p l a t f o r m s .

I n t h i s p a p e r , o u r n e w 3 D p r i n t a b l e M i n i s k y b o t r o b o t p l a t f o r m i s p r e s e n t e d

( s h o w n i n g u r e 1 . 1 ) . I t i s f u l l y o p e n s o u r c e ( b o t h t h e m e c h a n i c a l a n d e l e c -

t r o n i c s p a r t s ) a n d e x c l u s i v e l y d e s i g n e d w i t h o p e n s o u r c e t o o l s ( O p e n s c a d ,

F r e e c a d a n d K i c a d ) . T h e p a r t s w e r e f u r t h e r e r p r i n t e d i n a M a k e r b o t C u p -

c a k e 3 D p r i n t e r .


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1 A N e w O p e n S o u r c e 3 D - p r i n t a b l e M o b i l e R o b o t i c P l a t f o r m f o r E d u c a t i o n 3

1 . 2 M o t i v e a n d P r o b l e m S t a t e m e n t

A m o n g t h e c o m m e r c i a l e d u c a t i o n a l p l a t f o r m s w e c a n n d a g r e a t v a r i e t y o f

o p p o r t u n i t i e s , s t a r t i n g w i t h t h e w e l l k n o w n L e g o R o b o t , a n d g o i n g t h r o u g h

t h e M e c c a n o R o b o t , t h e R o b o R o b o t r o b o t i c k i t

1

, o r t h e O W I R o b o t A r m

E d g e

2

. T h e s e p r o d u c t s a r e q u i t e e x t e n d e d i n t h e e d u c a t i o n a l e n v i r o n m e n t ,

t h e y a r e a o r d a b l e , a n d e a s y t o u s e . T h e y u s u a l l y c o m e w i t h a s s o c i a t e d

s o f t w a r e , w h i c h a l l o w s u s e r s t o i n t e r f a c e w i t h t h e r o b o t , h a v i n g a c c e s s t o s e n -

s o r s a n d a c t u a t o r s , p r o g r a m t h e m , a n d s o f o r t h . T h e s e p l a t f o r m s h a v e b e e n

p r e s e n t f o r s o m e y e a r s n o w i n t h e e d u c a t i o n a l e n v i r o n m e n t . I n [ 8 ] t h e a u t h o r s

d e m o n s t r a t e d t h e i d e a o f a c h i l d r e n ' s l e a g u e f o r R o b o C u p , u s i n g r o b o t s c o n -

s t r u c t e d a n d p r o g r a m m e d w i t h t h e L E G O M i n d S t o r m s k i t t o p l a y s o c c e r .

S i n c e t h e n , R o b o C u p J u n i o r h a s e v o l v e d i n t o a n i n t e r n a t i o n a l e v e n t w h e r e

t e a m s o f y o u n g s t u d e n t s b u i l d r o b o t s t o c o m p e t e i n o n e o f t h r e e c h a l l e n g e s :

s o c c e r , r e s c u e a n d d a n c e [ 9 , 1 2 ] . G o l d m a n d e t a l . [ 6 ] p r e s e n t e d a n e d u c a t i o n a l

r o b o t i c s c u r r i c u l u m t o e n h a n c e t e a c h i n g o f s t a n d a r d p h y s i c s a n d m a t h t o p -

i c s t o m i d d l e a n d e a r l y h i g h s c h o o l s t u d e n t s . T h i s p r o j e c t w a s a l s o c e n t e r e d

a r o u n d t h e L e g o M i n d S t o r m .

T h e m a j o r d i s a d v a n t a g e o f t h e s e p l a t f o r m s i s t h a t t h e y a r e c l o s e . T h e u s e r s

c a n h a r d l y a d a p t t h e m t o t h e i r n e c e s s i t i e s , a n d i n s t e a d , t h e y m u s t a d a p t

t o t h e m . T h e r e c o n g u r a t i o n o f t h e p l a t f o r m m a y b e a g r e a t a d v a n t a g e i n

o r d e r t o b e a b l e t o d e p l o y a l l t h e i n i t i a t i v e o f t h e r e s e a r c h e r s , p r o f e s s o r s o r

s t u d e n t s . T h e L e g o M i n d S t o r m i n h e r i t s t h e " b u i l d - i t - y o u r s e l f " o f t h e L e g o

t r a d i t i o n a l t o y s , b u t u s e r s a r e c o n s t r a i n e d t o u s e t h e s e n s o r s p r o v i d e d b y t h e

m a n u f a c t u r e r , a s w e l l a s t h e d e v e l o p m e n t s o f t w a r e . A n e o r t c o u l d b e d o n e

t o w o r k a r o u n d t h i s l i m i t a t i o n , b u t t h i s g o e s b e y o n d t h e o r i g i n a l d e s i g n o f

t h e p l a t f o r m . A w o r k t r y i n g t o m e e t t h e " o p e n s o u r c e " a n d t h e " n o n - f r e e "

d i r e c t i o n s i s d o n e b y O ' H a r a e t a l [ 1 0 ] .

A d - h o c m i n i - r o b o t s h a v e b e e n b u i l t b y r e s e a r c h g r o u p s o r u n i v e r s i t y s p i n -

o s m a i n l y f o r e d u c a t i o n a l p u r p o s e s . T h e s e s o l u t i o n s o v e r c o m e t h e l i m i t a t i o n s

o f t h e c o m m e r c i a l r o b o t s , p r o v i d i n g c h e a p e r a n d m o r e a d a p t e d s o l u t i o n s .

E o r t s h a v e b e e n d o n e w i t h t h e i n t e n t i o n o f d e v e l o p i n g e e c t i v e a n d l o w - c o s t

r o b o t s f o r e d u c a t i o n a n d h o m e u s e , d e s i g n e d a n d b u i l t t o t t h e p a r t i c u l a r

r e q u i r e m e n t s o f a t e a c h i n g p r o g r a m m e . E x a m p l e s a r e t h o s e o f I n t e l l i B r a i n -

B o t

3

, M a r t i n F . S c h l o g l ' s r o b o t s

4

, t h e T a n k B o t

5

, t h e T r i k e b o t [ 7 ] a m o n g

m a n y o t h e r s .

T h i s h a d b e e n a l s o o u r w a y o f t e a c h i n g r o b o t i c s d u r i n g m a n y y e a r s , w i t h

o u r S k y b o t

6

p l a t f o r m ( s h o w n i n g u r e 1 . 1 ) . I n o u r c o u r s e s , t h e s t u d e n t s

1

h t t p : / / r o b o r o b o . k o r e a s m e . c o m / e d u c a t i o n a l - r o b o t - k i t . h t m l

2

h t t p : / / w w w . o w i r o b o t i c a r m e d g e . c o m /

3

h t t p : / / w w w . r i d g e s o f t . c o m / i n t e l l i b r a i n b o t / i n t e l l i b r a i n b o t . h t m

4

h t t p : / / w w w . m f s - o n l i n e . a t / r o b o t i c s . h t m

5

h t t p : / / p r o f m a s o n . c o m / ? p = 3 2 0

6

h t t p : / / g o o . g l / M d R J s


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b u i l d t h e S k y b o t f r o m s c r a t c h a n d t h e n p r o g r a m i t . S o m e t i m e s t h e y a r e s o

m o t i v a t e d t h a t t h e y p r o p o s e w o n d e r f u l m o d i c a t i o n s t o t h e r o b o t d e s i g n .

E v e n t h o u g h s o m e m o d i c a t i o n s a r e k n o w n b e f o r e h a n d t h a t w i l l n o t w o r k

w e l l , w e w o u l d l i k e t h e s t u d e n t t o d i s c o v e r i t b y h i m s e l f . B u t i n a n y c a s e , i t

i s n o t p o s s i b l e t o i m p l e m e n t t h e s e m o d i c a t i o n s d u r i n g t h e c o u r s e d u e t o t h e

t i m e i t t a k e s t o t h e m a n u f a c t u r e r t o b u i l d t h e p a r t s . A t t h e e n d w e h a d t o

k e e p t h e p l a t f o r m , o r i n t h e b e s t c a s e , c h a n g e i t f o r t h e n e x t c o u r s e w i t h n e w

s t u d e n t s .

T o s u m m a r i z e , t h e c l a s s i c a l w a y o f t e a c h i n g r o b o t i c s m u s t f o c u s , b y n e -

c e s s i t y , o n t h e p r o g r a m m i n g o f t h e r o b o t i c a g e n t g i v e n a p a r t i c u l a r p l a t f o r m .

E v e n i f o n l y t h i s c a n b e q u i t e c h a l l e n g i n g a n d i n s p i r i n g , w i t h o u r c u r r e n t

p r o p o s a l o f o p e n s o u r c e p r i n t a b l e r o b o t s , t h e t e a c h i n g p r o g r a m m e m u s t n o t

b e f o c u s e d a n y m o r e o n l y o n t h e r o b o t i c a g e n t , b u t i t m a y a l s o i n c l u d e i t s

m e c h a n i c a l d e s i g n . B e g i n n i n g w i t h a b a s i c p l a t f o r m , l i k e t h e M i n i s k y b o t ,

s t u d e n t s c a n b e g u i d e d t h r o u g h t h e d e s i g n a n d p r o g r a m m i n g p r o c e s s . I n t h i s

w a y , t h e y m a y d i s c o v e r t h e t i g h t r e l a t i o n b e t w e e n h a r d w a r e a n d s o f t w a r e , a n d

h o w e a c h o f t h e m c a n a n d m u s t , a d a p t t o t h e o t h e r r e q u i r e m e n t s i n o r d e r t o

a c h i e v e a p r e c i s e t a s k . T h e y m a y l e a r n t h a t a p a r t i c u l a r m e c h a n i c a l d e s i g n

s u i t s b e t t e r a p r e c i s e t a s k , t e s t d i e r e n t a l t e r n a t i v e s , a n d s o f o r t h . A n d s o m e -

t h i n g t h a t i s h a r d l y c o n s i d e r e d i n r o b o t i c p r o g r a m m e s , s t u d e n t s m a y l e a r n

t h a t a c h a n g e i n t h e m e c h a n i c a l d e s i g n c o u l d s o l v e a p r o b l e m b e t t e r , f a s t e r ,

a n d m o r e r o b u s t l y t h a n a s o f t w a r e s o l u t i o n .

1 . 3 O n l o w - c o s t 3 D P r i n t e r s

B r a d s h a w e t . a l [ 2 ] h a v e r e c e n t l y m a d e a s t u d y o n l o w - c o s t 3 D p r i n t i n g .

T h e y b r i e y r u n t h r o u g h t h e h i s t o r y o f 3 D p r i n t i n g , b e g i n n i n g i n t h e l a t e

1 9 7 0 s . T h e s e m o r e t h a n t h i r t y y e a r s h a v e d r i v e n t o a o r d a b l e 3 D p r i n t e r s

f o r i n d i v i d u a l s [ 1 ] , a n d a l l o w t h e m t o p r i n t c o m p l e x e n g i n e e r i n g p a r t s e n t i r e l y

a u t o m a t i c a l l y f r o m d e s i g n l e s t h a t i t i s s t r a i g h t f o r w a r d t o s h a r e o v e r t h e

I n t e r n e t . W h i l e o p e n s o u r c e s o f t w a r e d e v e l o p m e n t h a s b e e n s t u d i e d e x t e n -

s i v e l y , r e l a t i v e l y l i t t l e i s k n o w n a b o u t t h e v i a b i l i t y o f t h e s a m e d e v e l o p m e n t

m o d e l f o r a p h y s i c a l o b j e c t d e s i g n . 3 D p r i n t e r s a r e o e r i n g n e w p o s s i b i l i t i e s o f

s h a r i n g p h y s i c a l o b j e c t s . A s t h e y c a n b e d e n e d u s i n g c o d e , r e s e a r c h e r s c a n

s h a r e t h e i r o w n p a r t s , e v o l v e t h e m a n d " b u i l d " t h e m s t r a i g h t f o r w a r d u s i n g

3 D p r i n t e r s . T h i s a l l o w s f o r a d e c e n t r a l i z e d c o m m u n i t y t o i n d e p e n d e n t l y p r o -

d u c e p h y s i c a l p a r t s b a s e d o n d i g i t a l d e s i g n s t h a t a r e s h a r e d v i a t h e I n t e r n e t .

A p a r t f r o m i m p r o v i n g t h e d e v i c e , d e d i c a t e d i n f r a s t r u c t u r e s w e r e d e v e l o p e d

b y u s e r i n n o v a t o r s . A s B r u i j n s h o w s i n h i s m a s t e r t h e s i s [ 4 ] , a c o n s i d e r a b l e

i m p r o v e m e n t o f h a r d w a r e a r e p r o p o s e d b y p e o p l e s h a r i n g p a r t s a n d h a v i n g

a c c e s s t o 3 D p r i n t e r s . T h i s h a r d w a r e m o d i c a t i o n s a r e r e l a t i v e l y e a s y f o r

o t h e r s t o r e p l i c a t e . A s i t h a s b e e n t h e c a s e w i t h s o f t w a r e f o r m a n y y e a r s , c u r -


5/10


r e n t l y , t h e r e a r e a l s o o n - l i n e r e p o s i t o r i e s o f p a r t s , w h e r e p e o p l e c a n d o w n l o a d

a n d u p l o a d t h e i r d e s i g n s

7

1 . 4 T h e M i n i s k y b o t m o b i l e r o b o t p l a t f o r m

T h e n e w M i n i s k y b o t r o b o t i c p l a t f o r m i s o p e n s o u r c e : a l l t h e m e c h a n i c a l a n d

e l e c t r o n i c d e s i g n h a s b e e n r e l e a s e d w i t h a c o p y - l e f t l i c e n s e . F u r t h e r m o r e , o n l y

o p e n s o u r c e s o f t w a r e t o o l s h a v e b e e n e m p l o y e d . T h i s i s i m p o r t a n t b e c a u s e

i n d o i n g s o i t i s g u a r a n t e e d t h a t a n y o n e w i l l b e a b l e t o r e a d , u n d e r s t a n d

a n d m o d i f y t h e d e s i g n l e s w i t h o u t l i c e n s e i s s u e s a n d u s i n g t h e i r p r e f e r r e d

c o m p u t e r p l a t f o r m ( L i n u x , M a c , B S D , W i n d o w s . . . ) .

F i g . 1 . 2 M i n i s k y b o t . M i n i m a l v e r s i o n

T h e M i n i s k y b o t i s a d i e r e n t i a l d r i v e r o b o t c o m p o s e d o f p r i n t a b l e p a r t s

a n d t w o m o d i e d ( h a c k e d ) h o b b y s e r v o s . I t h a s b e e n d e s i g n e d s o t h a t i t c a n

b e p r i n t e d o n o p e n s o u r c e r e p r a p - l i k e 3 D - p r i n t e r . T w o m e c h a n i c a l d e s i g n s

h a v e b e e n d e v e l o p e d . T h e r s t i s t h e m i n i m a l r o b o t c h a s s i s s h o w n i n g u r e

1 . 2 ( I t i s t h e h e l l o w o r l d c h a s s i s ) . I t c o n s i s t o f o n l y f o u r p r i n t a b l e p a r t s : t h e

f r o n t , t h e r e a r a n d t w o w h e e l s . T h e y a r e a l l a t t a c h e d t o t h e s e r v o s b y m e a n s

o f M 3 b o l t s a n d n u t s . S t a n d a r d O - r i n g s a r e u s e d a s w h e e l t i r e s .

F o r m a k i n g t h e r o b o t s t a b l e , t h e r e a r p a r t h a s t w o s u p p o r t l e g s t h a t s l i d e

a c r o s s t h e o o r . T h e r e f o r e t h i s m i n i m a l r o b o t c h a s s i s i s o n l y v a l i d f o r m o v i n g

o n s m o o t h a t s u r f a c e s .

T h e g o a l o f t h i s r s t d e s i g n w a s t o s h o w t h e s t u d e n t s a m i n i m a l f u l l y

w o r k i n g m o b i l e r o b o t f o r s t i m u l a t i n g t h e i r m i n d s . T h e y w e r e e n c o u r a g e d t o

i m p r o v e t h i s i n i t i a l d e s i g n .

T h e v e r s i o n 1 . 0 c h a s s i s i s a n e v o l u t i o n o f t h e p r e v i o u s d e s i g n ( g u r e 1 . 3 ) .

I t c o n s i s t o f n i n e p r i n t a b l e p a r t s : t h e f r o n t , t h e r e a r , t w o w h e e l s , t h e b a t t e r y

7

h t t p : / / w w w . t h i n g i v e r s e . c o m


6/10


F i g . 1 . 3 M i n i s k y b o t R o b o t . V e r s i o n 1 . 0

c o m p a r t m e n t , t h e b a t t e r y h o l d e r a n d t h e c a s t o r w h e e l . A n i m p o r t a n t f e a t u r e

i s t h a t t h e p a r t s h a v e b e e n p a r a m e t e r i z e d , j u s t c h a n g i n g s o m e p a r a m e t e r s

n e w p a r t s a r e o b t a i n e d . F o r e x a m p l e t h e b a t t e r y c o m p a r t m e n t i s a u t o m a t i -

c a l l y c h a n g e d i f t h e p a r a m e t e r b a t t e r y t y p e i s s e t f r o m A A A t o A A . I n t h i s

c a s e a n e w c o m p a r t m e n t c a p a b l e o f h o l d i n g A A b a t t e r i e s ( i n s t e a d A A A ) i s

g e n e r a t e d .

T h e p a r a m e t r i c f e a t u r e i s p o s s i b l e t h a n k s t o t h e o p e n s o u r c e O p e n s c a d

8

s o f t w a r e u s e d f o r d e s i g n i n g t h e p i e c e s . T h e p a r t s t h e m s e l v e s a r e n o t g r a p h i c a l

m e s h e s b u t s c r i p t s t h a t d e t e r m i n e h o w t h e y a r e b u i l t b y p r i m i t i v e g e o m e t r i c

f o r m s . W h e n t h e s e s c r i p t s a r e c o m p i l e d t h e g r a p h i c a l p a r t i s g e n e r a t e d a n d

r e n d e r e d o n t h e s c r e e n , a n d l a t e r e x p o r t e d a s a n S T L l e f o r 3 D p r i n t i n g .

T h i s a p p r o a c h i s v e r y e x i b l e b e c a u s e t h e p a r t s a r e A S C I I s c r i p t s t h a t

c a n b e e a s i l y s h a r e d t h r o u g h i n t e r n e t , s t o r e d i n r e p o s i t o r i e s a n d s o f o r t h .

T h e r e f o r e t h e m e c h a n i c a l d e s i g n s c a n b e m o d i e d , u s e d , a n d p r i n t e d e a s i l y

b y d i e r e n t p e o p l e a r o u n d t h e w o r l d .

T h e e l e c t r o n i c b o a r d i s a l s o a m i n i m a l d e s i g n w i t h o n l y t h e n e c e s s a r y

c o m p o n e n t s f o r c o n t r o l l i n g t h e r o b o t . I t i n c l u d e s a n 8 - b i t p i c 1 6 f 8 7 6 a m i c r o -

c o n t r o l l e r , h e a d e r s f o r c o n n e c t i n g t h e s e r v o s , a n I 2 C b u s f o r t h e s e n s o r s , s e r i a l

c o n n e c t i o n t o t h e P C , a t e s t l e d a n d a s w i t c h f o r p o w e r i n g t h e c i r c u i t ( g u r e

1 . 4 ) .

A n e l e c t r i c c o n n e c t i o n d i a g r a m i s s h o w n i n g u r e 1 . 5 , w h e r e t h e s e r v o s

a r e c o n n e c t e d d i r e c t l y t o t h e b o a r d . T h e s p e e d i s s e t b y m e a n s o f t w o P W M

s i g n a l s . T h e t w o u l t r a s o u n d s e n s o r s i n t h e r o b o t ' s f r o n t a r e c o n n e c t e d t h o u g h t

t h e I 2 C b u s . R o b o t v e r s i o n 1 . 0 h a v e t w o u l t r a s o u n d s e n s o r s , b u t a s t h e y

a r e c o n n e c t e d t o t h e I 2 C b u s , m o r e s e n s o r s c a n b e e a s i l y a d d e d . F o r t h e

p o w e r s u p p l y f o u r A A A t y p e s t a n d a r d b a t t e r i e s a r e u s e d . T h e b o a r d c a n

b e c o n n e c t e d t o t h e P C b y a s e r i a l R S 2 3 2 c o n n e c t i o n f o r d o w n l o a d i n g t h e

r m w a r e . T h e P C B h a s b e e n d e s i g n e d w i t h t h e o p e n s o u r c e K i c a d t o o l

8

h t t p : / / o p e n s c a d . o r g


7/10


F i g . 1 . 4 E l e c t r o n i c s . S k y c u b e b o a r d

PWM

Servos

PWM

Skycube

PIC16F876A

I2C bus

Standar batteries

PC

RS232

Ultrasound SF02

F i g . 1 . 5 E l e c t r o n i c d i a g r a m

T h e r o b o t i s p r o g r a m e d i n C l a n g u a g e u s i n g t h e o p e n s o u r c e S D C C c r o s s

c o m p i l e r a n d t h e b i n a r y l e s a r e d o w n l o a d e d i n t o t h e b o a r d b y m e a n s o f a

s e r i a l c a b l e . P r e v i o u s l y a b o o t l o a d e r r m w a r e n e e d s t o b e b u r n e d i n t h e a s h

m e m o r y b y m e a n s o f t h e I C S P c o n n e c t o r . L o a d i n g t h e r m w a r e t h i s w a y t h e

s t u d e n t s d o n o t n e e d t o u s e a n y p r o g r a m m i n g h a r d w a r e b u t j u s t a s i m p l e

c a b l e . A l s o , t h e d o w n l o a d i s d o n e v e r y f a s t , w h e r e i t t a k e s o n l y a f e w s e c o n d s

t o c o m p l e t e t h e w h o l e p r o c e s s .

1 . 5 R e s u l t s

T h e M i n i s k y b o t r o b o t h a s b e e n s u c c e s s f u l l y p r i n t e d o n a M a k e r b o t C u p c a k e

3 D p r i n t e r i n A B S p l a s t i c ( A c r y l o n i t r i l e B u t a d i e n e S t y r e n e ) . T h e m a c h i n e i s


8/10


F i g . 1 . 6 T h e M i n i S k y b o t r o b o t p r i n t e d i n r e d A B S

e q u i p p e d w i t h t h e l a t e s t M K 5 e x t r u d e r a n d a h e a t e d b u i l d p l a t f o r m . I t i s

v e r y a o r d a b l e w i t h a t o t a l c o s t o f 6 8 0 .

A l l t h e p a r t s h a v e b e e n p r i n t e d w i t h o u t r a f t . T h e s o f t w a r e u s e d w a s

R e p l i c a t o r - G 0 0 2 3 w i t h S k e i n f o r g e 3 5 . I n g u r e 1 . 6 a r e d p r o t o t y p e i s s h o w n ,

a l o n g w i t h a l l t h e p a r t s n e e d e d f o r a s s e m b l i n g t h e r o b o t .

T h e t o t a l p r i n t i n g t i m e i s 2 h o u r s a n d 5 0 m i n u t e s a n d t h e t o t a l r o b o t c o s t

i s a r o u n d 5 7 , a s s h o w n i n t a b l e 1 . 1 . I t c a n b e s e e n t h a t t h e c o s t o f t h e

c h a s s i s ( t h e p r i n t a b l e p a r t s ) i s m a r g i n a l : l e s s t h a n 1 . T h e r e f o r e , t h e r o b o t

c o s t i s o n l y d e t e r m i n e d b y t h e c o s t o f t h e e l e c t r o n i c s , m o t o r s a n d s e n s o r s .

P a r t s P r i n t a b l e P r i n t i n g t i m e ( m i n ) C o s t ( )

W h e e l s y e s 2 x 2 4 2 x 0 . 0 5

B a t t e r y c o m p a r t m e n t y e s 3 0 0 . 0 7

F r o n t y e s 3 0 0 . 0 7

R e a r y e s 1 6 0 . 0 4

B a t t e r y h o l d e r y e s 1 4 0 . 0 3

C a s t o r w h e e l p a r t 3 y e s 1 2 0 . 0 3

C a s t o r w h e e l p a r t 2 y e s 6 0 . 0 1

C a s t o r w h e e l p a r t 1 y e s 4 0 . 0 1

W h e e l O - r i n g s n o 2 x 0 . 5

C a s t o r W h e e l O - r i n g n o - 0 . 4

S R F 0 2 u l t r a s o u n d s e n s o r n o 1 1 . 8

S k y c u b e b o a r d n o 2 0

S e r v o F u t a b a 3 0 0 3 n o 2 x 9

4 A A A b a t t e r i e s n o 2 . 5

N u t s a n d b o l t s n o - 2 . 5

T o t a l : 1 7 0 m i n ( 2 h , 5 0 m i n ) 5 6 . 6

T a b l e 1 . 1 P r i n t i n g t i m e a n d c o s t o f t h e M i n i S k y b o t v 1 . 0 r o b o t

A l t h o u g h t h i s k i n d o f 3 D p r i n t e r s a r e n o t m e a n t f o r p r o d u c t i o n b u t f o r

p r o t o t y p i n g , t h e y c a n b e u s e d f o r b u i l d i n g s m a l l s e r i e s o f r o b o t s f o r g i v i n g


9/10


c o u r s e s o n r o b o t i c s t o s m a l l g r o u p s . G i v e n t h a t e v e r y 3 h t h e p a r t s f o r a n e w

r o b o t a r e b u i l t a n d i f t h e m a c h i n e i s w o r k i n g w i t h o u t i n t e r r u p t i o n , 8 r o b o t

c h a s s i s p e r d a y c a n b e p r i n t e d . I n g u r e 1 . 7 a g r o u p o f s i x M i n i s k y b o t s i s

s h o w n , p r i n t e d i n d i e r e n t c o l o r s .

F i g . 1 . 7 A g r o u p o f s i x M i n i S k y b o t r o b o t s ( v 1 . 0 ) i n d i e r e n t c o l o r s

1 . 6 C o n c l u s i o n a n d f u t u r e w o r k

U s i n g t h e l a t e s t o p e n s o u r c e 3 D - p r i n t e r s a n e w p r i n t a b l e r o b o t i c p l a t f o r m h a s

b e e n d e s i g n e d , b u i l t a n d t e s t e d . O u r r e s u l t s c o n r m t h e v i a b i l i t y o f t h e s e n e w

p r i n t a b l e r o b o t s . T h e y o e r n e w i m p o r t a n t f e a t u r e s f o r e d u c a t i o n a l p u r p o s e s .

F i r s t , t h e y a r e v e r y e x i b l e w h e r e t h e s t u d e n t s c a n d e s i g n n e w c u s t o m p i e c e s

e a s i l y w h i c h a r e p r i n t e d a n d t e s t e d v e r y f a s t . T h e r e f o r e t h e r o b o t c a n b e

m e c h a n i c a l l y e v o l v e d d u r i n g t h e c o u r s e s . S e c o n d , t h e r o b o t c a n b e t h o r o u g h l y

s t u d i e d , m o d i e d , c o p i e d a n d d i s t r i b u t e d b y a n y o n e . T h i s w a y t h e r o b o t c a n

e v o l u t e n o t o n l y i n o u r u n i v e r s i t y b u t a l s o a r o u n d t h e w o r l d . T h i s f e a t u r e i s

e n h a n c e d b y t h e f a c t t h a t t h e m e c h a n i c a l p a r t s a r e O p e n s c a d A S C I I s c r i p t s ,

l i k e a n y o t h e r s o f t w a r e . C o n s e q u e n t l y , t h e y b e h a v e l i k e o p e n s o u r c e s o f t w a r e

a n d c a n b e d i s t r i b u t e d a n d s h a r e d i n a s i m i l a r w a y . F i n a l l y , t h e t o t a l c o s t i s

v e r y l o w , d e p e n d i n g a l m o s t e x c l u s i v e l y o n t h e s e r v o s , e l e c t r o n i c s a n d s e n s o r s .

T h e M i n i s k y b o t v 1 . 0 c o s t s 5 7 a n d t h e p r i n t i n g t i m e i s a r o u n d 3 h , w h i c h

m e a n s t h a t e i g h t r o b o t c h a s s i s c a n b e p r i n t e d p e r d a y .

A s a f u t u r e w o r k w e a r e p l a n n i n g t o c o n t i n u e e v o l v i n g t h e r o b o t i n c o l -

l a b o r a t i o n w i t h o u r s t u d e n t s , d e s i g n i n g n e w p a r t s f o r s e n s o r s , w h e e l s , w h e g s

a n d s o o n .


10/10

1 0 J . G o n z a l e z - G o m e z , A . V a l e r o - G o m e z , A . P r i e t o - M o r e n o , M . A b d e r r a h i m

A c k n o w l e d g e m e n t s

W e w o u l d l i k e t o t h a n k P r o f . L u i s M o r e n o , h e a d o f t h e d e p a r t m e n t , f o r s u p -

p o r t i n g t h i s e d u c a t i o n a l i n i t i a t i v e . A l s o w e w o u l d l i k e t o t h a n k a l l t h e s t u -

d e n t s w h o h a v e c o n t r i b u t e d t o t h e e v o l u t i o n o f t h e M i n i s k y b o t r o b o t . S p e c i a l

t h a n k s t o M r s . O l a l l a B r a v o f o r t h e d e s i g n o f t h e p r i n t a b l e c a s t o r w h e e l .

R e f e r e n c e s

1 . A d r i a n B o w y e r . T h e S e l f - r e p l i c a t i n g R a p i d P r o t o t y p e r , M a n u f a c t u r i n g f o r t h e M a s s e s .

I n 8 t h N a t i o n a l C o n f e r e n c e o n R a p i d D e s i g n , P r o t o t y p i n g & M a n u f a c t u r i n g , J u n e

2 0 0 7 .

2 . S i m o n B r a d s h a w , A d r i a n B o w y e r , a n d P a t r i c k H a u f e . T h e I n t e l l e c t u a l P r o p e r t y I m -

p l i c a t i o n s o f L o w - C o s t 3 D P r i n t i n g . S C R I P T e d 5 , 2 0 1 0 .

3 . S t e f a n o C a r p i n , M i c h a e l L e w i s , J i j u n W a n g , S t e p h e n B a l a k i r s k y , a n d C h r i s S c r a p p e r .

U s a r s i m : a r o b o t s i m u l a t o r f o r r e s e a r c h a n d e d u c a t i o n . I n 2 0 0 7 I E E E I n t e r n a t i o n a l

C o n f e r e n c e o n R o b o t i c s a n d A u t o m a t i o n , I C R A 2 0 0 7 , p a g e s 1 4 0 0 1 4 0 5 , 2 0 0 7 .

4 . E r i k d e B r u i j n . O n t h e v i a b i l i t y o f t h e o p e n s o u r c e d e v e l o p m e n t m o d e l f o r t h e d e s i g n

o f p h y s i c a l o b j e c t s . L e s s o n s l e a r n e d f r o m t h e R e p R a p p r o j e c t , N o v e m b e r 2 0 1 0 .

5 . B r i a n P . G e r k e y , R i c h a r d T . V a u g h a n , a n d A n d r e w H o w a r d . T h e p l a y e r / s t a g e p r o j e c t :

T o o l s f o r m u l t i - r o b o t a n d d i s t r i b u t e d s e n s o r s y s t e m s . I n 1 1 t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e

o n A d v a n c e d R o b o t i c s ( I C A R 2 0 0 3 ) , P o r t u g a l , p a g e s 3 1 7 3 2 3 , J u n e 2 0 0 3 .

6 . R a c h e l G o l d m a n , A m y E g u c h i , a n d E l i z a b e t h S k l a r . U s i n g e d u c a t i o n a l r o b o t i c s t o

e n g a g e i n n e r - c i t y s t u d e n t s w i t h t e c h n o l o g y . I n P r o c e e d i n g s o f t h e 6 t h i n t e r n a t i o n a l

c o n f e r e n c e o n L e a r n i n g s c i e n c e s , I C L S ' 0 4 , p a g e s 2 1 4 2 2 1 . I n t e r n a t i o n a l S o c i e t y o f

t h e L e a r n i n g S c i e n c e s , 2 0 0 4 .

7 . T . H s i u , S . R i c h a r d s , A . B h a v e , A . P e r e z - B e r g q u i s t , a n d I . N o u r b a k h s h . D e s i g n i n g

a l o w - c o s t , e x p r e s s i v e e d u c a t i o n a l r o b o t . I n I n t e l l i g e n t R o b o t s a n d S y s t e m s , 2 0 0 3 .

( I R O S 2 0 0 3 ) . P r o c e e d i n g s . 2 0 0 3 I E E E / R S J I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n , v o l u m e 3 ,

p a g e s 2 4 0 4 2 4 0 9 v o l . 3 , 2 0 0 3 .

8 . H e n r i k H a u t o p L u n d a n d L u i g i P a g l i a r i n i . R o b o t s o c c e r w i t h l e g o m i n d s t o r m s . I n

R o b o C u p - 9 8 : R o b o t S o c c e r W o r l d C u p I I , p a g e s 1 4 1 1 5 1 . S p r i n g e r , 1 9 9 8 .

9 . H e n r i k H a u t o p L u n d a n d L u i g i P a g l i a r i n i . R o b o c u p j r . w i t h l e g o m i n d s t o r m s . I n

P r o c e e d i n g s o f t h e 2 0 0 0 I E E E I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n R o b o t i c s a n d A u t o m a t i o n ,

I C R A 2 0 0 0 , A p r i l 2 4 - 2 8 , 2 0 0 0 , S a n F r a n c i s c o , C A , U S A , p a g e s 8 1 3 8 1 9 . I E E E , 2 0 0 0 .

1 0 . K e i t h J . O ' H a r a a n d J e n n i f e r S . K a y . I n v e s t i g a t i n g o p e n s o u r c e s o f t w a r e a n d e d u c a -

t i o n a l r o b o t i c s . J . C o m p u t . S m a l l C o l l . , 1 8 : 8 1 6 , F e b r u a r y 2 0 0 3 .

1 1 . K . S . R a w a t a n d G . H . M a s s i h a . A h a n d s - o n l a b o r a t o r y b a s e d a p p r o a c h t o u n d e r g r a d -

u a t e r o b o t i c s e d u c a t i o n . I n R o b o t i c s a n d A u t o m a t i o n , 2 0 0 4 . P r o c e e d i n g s . I C R A ' 0 4 .

2 0 0 4 I E E E I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n , v o l u m e 2 , p a g e s 1 3 7 0 1 3 7 4 V o l . 2 , 2 0 0 4 .

1 2 . E l i z a b e t h S k l a r , A m y E g u c h i , a n d J e r e y J o h n s o n . R o b o c u p j u n i o r : L e a r n i n g w i t h

e d u c a t i o n a l r o b o t i c s . I n R o b o C u p 2 0 0 2 : R o b o t S o c c e r W o r l d C u p V I , v o l u m e 2 7 5 2 o f

L e c t u r e N o t e s i n C o m p u t e r S c i e n c e , p a g e s 2 3 8 2 5 3 . S p r i n g e r , 2 0 0 2 .

1 3 . I g o r M . V e r n e r , S h l o m o W a k s , a n d E l i K o l b e r g . E d u c a t i o n a l r o b o t i c s : A n i n s i g h t i n t o

s y s t e m s e n g i n e e r i n g . E u r o p e a n J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g E d u c a t i o n , 2 4 ( 2 ) : 2 0 1 , 1 9 9 9 .

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