Lever Microswitch

Was es ist

Ein Hebel-Mikroschalter – ein Miniatur-Schnappschalter – ist ein mechanischer Kontakt in einem kleinen Plastikgehäuse mit einem herausstehenden Metallhebel. Hebel drücken, und eine innere Feder schnappt den Kontakt um; loslassen, und die Feder schnappt ihn zurück. Er ist eines der ältesten Bauteile in dieser Bibliothek und an einem Roboter eines der nützlichsten.

Was ihn zum Robotikbauteil macht, ist die Schnappwirkung. Der Kontakt schließt nicht allmählich beim Drücken; er springt, an einem wiederholbaren Punkt, mit hörbarem Klick. Das gibt dir eine definitive Ja-oder-Nein-Antwort aus einem Mechanismus, den ein fahrender Roboter schubst – genau die Situation, in der ein allmählicher Sensor Unsinn liefert.

Wie es funktioniert

Drei Anschlüsse: COM (gemeinsam), NO (Schließer) und NC (Öffner). Ungedrückt ist COM mit NC verbunden. Gedrückt schnappt er auf NO um. Du nutzt zwei der drei und ignorierst den anderen.

Für einen Roboter-Bumper verdrahte COM nach Masse und NO an den Eingangspin, mit eingeschaltetem internen Pull-up des Pins:

pinMode(BUMP_L, INPUT_PULLUP);              // idle HIGH
bool pressed = digitalRead(BUMP_L) == LOW;  // LOW means the bumper moved

Diese Anordnung ist ausfallsicher: Eine gebrochene Bumperleitung liest HIGH, was nicht gedrückt ist. Andersherum verdrahtet überzeugt ein gerissenes Kabel den Roboter, er kollidiere dauerhaft. Für einen Not-Aus nutze stattdessen NC – dort soll ein gebrochenes Kabel die Maschine stoppen.

Der Hebel tauscht Kraft gegen Weg. Der nackte Stößel will etwa 1 N über grob 1 mm; ein Hebelarm vervielfacht die Bewegung, sodass eine Bumperhülle 3–5 mm laufen und mit viel leichterem Druck auslösen kann. Eine Rolle am Ende reduziert Reibung, wo etwas quer darüber gleitet statt gerade hineinzudrücken.

Wann man ihn verwendet

Nutze einen, wo immer der Roboter wissen muss, dass er bereits Kontakt hatte: Bumper, Endanschläge an einem Arm oder Schlitten, Deckel- oder Schubladensensor oder Andock­erkennung. Es ist die Sensorik letzter Instanz, und das ist ein Kompliment – sie erwischt das schwarze Stuhlbein, die Glasscheibe und das Hindernis in falscher Höhe, das jeder optische und akustische Sensor verpasst.

Es ist auch die einzige Sensorik, die ein Zufalls-Coverage-Roboter braucht. Zwei davon und ein Zufallszahlen­generator decken einen ganzen Raum ab, was bemerkenswert viel Verhalten für zwei bewegte Teile ist.

Schau dich anderswo um, wenn du die Kollision vermeiden statt erkennen musst – dafür ist ein Ultraschall- oder Time-of-Flight-Sensor da. Nutze beides: Der Entfernungsmesser meidet die meisten Hindernisse, der Schalter erwischt die, die er nicht sehen kann.

Typische Fallstricke

• Ein Druck sind neun Flanken. Entprelle ihn, und hänge niemals einen zählenden Interrupt daran – nur einen, der ein Flag setzt oder einen Zeitstempel nimmt.
• Das Schaltergehäuse ist kein Strukturteil. Gib der Bumperhülle einen harten Anschlag, der den Aufprall nimmt. Schaltergehäuse reißen; daran sterben sie lange bevor die Kontakte verschleißen.
• Seine eigene Feder stellt deinen Bumper nicht zurück. Ein Mikroschalter drückt mit 50–100 g zurück. Nutze Gummibänder oder leichte Druckfedern für die Rückstellung und lass den Schalter nur messen.
• Ein flacher Bumper verpasst streifende Treffer. Führe die Hülle mindestens 45° zu jeder Seite herum, mit einem Schalter hinter jeder Hälfte, damit der Code weiß, wohin er drehen muss.
• Lange Leitungen fangen Motorstörungen. Halte die Strecke kurz, verdrille das Paar und verlasse dich auf den niederohmigen Pull-up-Weg im geschlossenen Zustand.
• Kontakt­bewertungen gelten für Netz, nicht Logik. Ein mit 5 A bei 125 V AC bewerteter Schalter wird hier um Mikroampere gebeten; die Bewertung sagt nichts Brauchbares über seine Lebensdauer in diesem Job. Vorlaufweg und Betätigungskraft schon.

Verdrahtung

Zwei der drei Anschlüsse, und welche zwei entscheidet, wie der Roboter versagt.

Die Unterscheidung zählt. Ein auf Schließer verdrahteter Bumper versagt sicher mit „keine Kollision“, was richtig ist – ein Roboter mit gebrochener Bumperleitung soll weiterfahren, nicht einfrieren. Ein auf Öffner verdrahteter Not-Aus versagt sicher mit „gestoppt“, was aus umgekehrtem Grund ebenfalls richtig ist.

Nutze den internen Pull-up. Er kostet nichts, braucht keine Bauteile und gibt einen definierten Ruhezustand. Ein Pin als bloßes INPUT mit Schalter daran schwebt bei offenem Schalter, und schwebende Pins lesen, welches elektrische Rauschen nearby ist – was an einem Roboter voller Motoren viel ist.

Entprellen, richtig gemacht

Ein einziger Druck erzeugt etwa neun Übergänge über grob 4,7 ms, wie die Kontakte schnappen und zurückfedern. Software, die den Pin naiv liest, sieht neun Drücke.

const int BUMP_L = 2, BUMP_R = 3;
const unsigned long DEBOUNCE_MS = 8;      // longer than the ~5 ms bounce

struct Bumper {
  uint8_t pin;
  bool stable;            // the debounced state
  bool lastRead;
  unsigned long changedAt;
};

Bumper left  = {BUMP_L, true, true, 0};
Bumper right = {BUMP_R, true, true, 0};

// Returns true on the frame the bumper newly closes.
bool update(Bumper &b) {
  bool now = digitalRead(b.pin);          // HIGH = open, with INPUT_PULLUP
  if (now != b.lastRead) {
    b.lastRead = now;
    b.changedAt = millis();               // restart the timer on any edge
    return false;
  }
  if (millis() - b.changedAt >= DEBOUNCE_MS && b.stable != now) {
    b.stable = now;
    return (now == LOW);                  // newly pressed
  }
  return false;
}

void setup() {
  pinMode(BUMP_L, INPUT_PULLUP);
  pinMode(BUMP_R, INPUT_PULLUP);
}

void loop() {
  if (update(left))  { backUp(); turnRight(); }
  if (update(right)) { backUp(); turnLeft(); }
}

Das wichtige Strukturdetail ist, dass der Timer bei jeder Flanke neu startet, statt einmal abzutasten und zu warten. Ein festes Abtasten-und-Warten kann im Prellen landen und den falschen Wert einrasten; das Neustarten des Fensters heißt, der Zustand wird erst übernommen, wenn der Pin die volle Periode ruhig war.

Warum kein Interrupt

Interrupts an einem Bump-Schalter sind eine Falle, und zwar konkret:

• Niemals einen zählenden Interrupt anhängen. Neun Flanken werden neun Zählungen, und ein Entprellen in einer ISR braucht millis(), das in einer ISR auf AVR nicht weiterläuft.
• Ein Flag-setzender Interrupt ist in Ordnung, wenn das Entprellen in der Hauptschleife passiert. Aber einen Schalter mit 100 Hz abzufragen kostet nichts, und die Schleife eines Roboters läuft ohnehin.
• Reserviere D2 und D3 für Encoder an einem Uno. Es sind die einzigen zwei externen Interrupt-Pins, und Encoder brauchen sie wirklich. Ein Bumper nicht.

Der eine Fall, der einen Interrupt rechtfertigt, ist ein harter Not-Aus, der die Motoren auch bei hängender Hauptschleife kappen muss – und das löst man besser, indem man den Schalter in die Freigabeleitung des Motortreibers verdrahtet, sodass es ganz ohne Software geht.

Montage: das Teil, das wirklich entscheidet, ob es funktioniert

Alles oben ist ein gelöstes Problem. Das mechanische Design entscheidet, ob Bumper gelingen oder scheitern.

Die Hülle nimmt den Aufprall, nicht der Schalter. Ein Mikroschaltergehäuse ist dünnes Plastik und reißt unter direktem Treffer. Baue eine Bumperhülle, die schwenkt oder gleitet, gib ihr einen harten Anschlag, der die Kraft nimmt, und lass den Schalter eine kleine Bewegung nahe dem Ende dieses Wegs messen.

Führe die Hülle herum. Ein flacher Frontbumper verpasst alles, was im Winkel getroffen wird – und ein Roboter, der per Entfernungs­messung navigiert, trifft meist Dinge im Winkel, weil frontale Hindernisse schon erkannt waren. Mindestens 45° zu jeder Seite herumführen.

Zwei Schalter, nicht einer. Links und rechts, hinter den zwei Hälften der Hülle. Ein Schalter sagt dir, dass du etwas getroffen hast; zwei sagen dir, wohin du drehen musst. Der Verhaltens­unterschied ist dramatisch und die Mehrkosten etwa zwanzig Cent.

Den Bumper mit eigener Feder zurückstellen. Die innere Feder eines Mikroschalters drückt mit nur 50–100 g zurück, was nicht reicht, um eine Hülle mit Reibung im Drehpunkt verlässlich zurückzusetzen. Nutze Gummibänder oder leichte Druckfedern, und lass den Schalter nichts tun als messen.

Den Vorlaufweg so einstellen, dass sich die Hülle bewegt, bevor der Schalter auf Block geht. Der Schalter schaltet nach 1–3 mm und hat dahinter etwas Überweg; der harte Anschlag der Hülle muss im Überweg kommen, sonst nimmt die innere Mechanik des Schalters den Aufprall.

Einen wählen

Die Kontakt­bewertung ist hier irrelevant. Ein mit 5 A bei 125 V AC bewerteter Schalter wird um wenige Mikroampere in einen Pull-up gebeten. Was zählt, ist die mechanische Spezifikation: Betätigungskraft, Vorlaufweg und bewertete mechanische Lebensdauer (10⁵–10⁷ Betätigungen). Ein Roboter, der hundertmal pro Fahrt anstößt, erreicht 10⁵ Betätigungen nach tausend Fahrten, also ist mechanische Lebensdauer effektiv unbegrenzt – der Schalter stirbt lange vorher an gerissenem Gehäuse.

Fehlerbehebung

Warum dieses billige Teil seinen Platz verdient

Jeder andere Sensor an einem Roboter hat Flächen, die er nicht sehen kann. Ein Ultraschallsensor ist blind für Vorhänge und für Wände in steilem Winkel. Ein VL53L0X ist blind für schwarze matte Flächen, Spiegel und alles in hellem Sonnenlicht. Eine Kamera braucht Licht.

Ein Mikroschalter hat keine solche Liste. Wenn etwas die Hülle berührt, schließt der Schalter. Das macht ihn zur Sensorik letzter Instanz, und an einem Roboter, der unbeaufsichtigt überleben muss, ist er die billigste Verlässlichkeit überhaupt – zwei Schalter, zwei Pins und etwa vierzig Cent.

Er reicht bemerkenswerterweise auch allein. Ein Roboter mit zwei Bump-Schaltern und zufälligem Abbiegen bei Kontakt deckt mit genug Zeit einen ganzen Raum ab – genau so arbeitete die erste Generation von Saugrobotern, und das lohnt sich zu verstehen, bevor man zu etwas Raffinierterem greift.