Mini-Sumo-Roboter bauen: Grip, Keil, Kantensensorik

Was du baust

Zwei Roboter, ein Ring, keine Sensoren auf etwas gerichtet außer aufeinander und dem Boden. Wer am Ende noch drin ist, gewinnt.

Es ist das simpelste Ziel dieser Seite, und es ist nicht das leichte Projekt, als das es aussieht – denn Sumo ist der eine Roboter, bei dem die Mechanik das Ergebnis entscheidet und der Code es nur nicht wegwerfen darf. Jeder andere Aufbau hier belohnt bessere Algorithmen. Dieser belohnt einen schärferen Keil.

Diese Umkehrung ist es wert, einmal erlebt zu werden. Darum verbringt die Baureihenfolge unten ihren ersten Tag mit Arithmetik und ihren letzten mit Verhalten – umgekehrt, wie die meisten anfangen.

Die drei Zahlen, die entscheiden

Schubkraft ist 5,9 N, und deine Motoren könnten 25 N. Ein 500-g-Roboter auf Silikonreifen ist um Faktor vier traktionsbegrenzt. Der Antrieb ist nicht die Grenze und wird es nie – also baue ans Gewichtslimit, lege jedes Gramm über die Antriebsräder und stecke das Motorbudget in Übersetzung statt Leistung.

Ein Keil, der 40 % des Gegners anhebt, gibt dir 2,3× seinen Schub. Gehobenes Gewicht landet auf dir, also ist das Verhältnis (1+f)/(1−f), und es steigt steil. Keine andere einzelne Änderung kommt nah heran.

Du kannst etwa 0,8 m/s fahren. Nicht weil die Motoren ausgehen, sondern weil 25 mm Rand plus 25 ms Latenz der ganze Anhalteraum ist. Die meisten Erstroboter sind auf das Doppelte übersetzt und verlieren gegen die Kante, nicht den Gegner.

Diese drei Sätze sind das ganze Design. Alles unten ist, wie du dorthin kommst.

Stückliste

Mini-Sumo hat eine formale Klasse: 10 × 10 cm Grundfläche am Start, 500 g maximal, auf einem 77-cm-Ring mit 2,5 cm weißem Rand. Die Regeln prägen die Bauliste.

Gesamt: ca. $65–90.

Zwei Notizen, die Begegnungen entscheiden statt bloß zu funktionieren.

Gewicht gehört über die Antriebsräder, bis ans Limit. Schubkraft ist Reibung, und Reibung ist Koeffizient mal Normalkraft. Jedes Gramm nicht auf einem Antriebsreifen ist verschwendet – darum fahren Sumo-Roboter auf exakt 500 g und legen fast alles auf zwei Räder.

Reifen zählen mehr als Motoren. Ein Roboter an seiner Traktionsgrenze gewinnt nichts durch mehr Drehmoment – die Räder drehen nur durch. Von Hartplastik (µ ≈ 0,4) auf Silikon zu wechseln (µ ≈ 1,2 oder besser) verdreifacht grob die verfügbare Schubkraft für fünf Dollar – was kein Motorupgrade erreicht.

Baureihenfolge

1 – Masse und Reifen zuerst entscheiden. Sie setzen deine Schubkraft, bevor eine einzige Codezeile existiert. Ziele aufs 500-g-Limit, mit tiefer Masse über den Antriebsrädern; Silikon- oder Weichurethanreifen nehmen, nicht was der Chassisbausatz mitlieferte. µ 1,2 gegen µ 0,7 sind 72 % mehr Schub zum Preis eines Reifensatzes.

2 – Auf Drehmoment übersetzen und Blockierstrom prüfen. Sumo lebt am Drehmomentende der Motorkurve, um 0,8 m/s am Rad statt der 1,5, die ein Chassisbausatz annimmt. Dann ausrechnen, was zwei Motoren blockiert ziehen – etwa 3 A –, und den Pack dafür budgetieren statt für den Reisestrom. Eine ganze Runde ist ein Dauerblockieren.

3 – An der Kante stoppen lassen, allein im Ring. Das ist der Meilenstein. Reflexionssensoren an beiden Vorderecken montieren, so weit vorn, wie sie die weiße Linie noch sehen, kalibriert für den echten Ring statt deinen Schreibtisch. Mit Volltempo fünfzigmal aus jedem Winkel an die Kante fahren. Bis das langweilig verlässlich sitzt, lohnt kein Gegner – ein Roboter, der selbst hinausfährt, verliert, ohne je geschoben worden zu sein.

4 – Kantensensoren jeden Schleifendurchlauf lesen. Vier Fünftel deiner Reaktionsdistanz warten auf die nächste Schleifeniteration, und ein einziger blockierender Distanzmesswert sind 20 ms Blindheit genau im falschen Moment. Nicht-blockierendes Timing ist die billigste Temposteigerung, die es gibt.

5 – Gegnererkennung hinzufügen. Ein VL53L0X vorn, optional zwei weitere um 45° nach außen gewinkelt. Der schmale Strahl zählt: Ein Ultraschallsensor im Ring findet meist den Ring.

6 – Verhalten als explizite Zustände schreiben. Suchen, Ansturm, Schieben, Rückzug, mit Kantenreflex vor allem. Das ist ein Lehrbuchfall für eine Zustandsmaschine – denn die Kantenprüfung muss in jedem Zustand laufen, und es darf keinen Codepfad geben, wo sie es nicht tut.

7 – Keil zuletzt bauen und ewig iterieren. Er ist das hebestärkste Teil und das am leichtesten zu ändernde.

Das Verhalten, in einem Absatz

Mit Pflichtverzögerung starten – die meisten Regelsätze verlangen fünf Sekunden. Dann suchen: auf der Stelle drehen oder kleinen Bogen fahren, bis der Frontsensor etwas innerhalb etwa 40 cm meldet. Ansturm gerade darauf zu, mit voller Leistung. Schieben, bis sich entweder die Distanz öffnet (sie wichen aus) oder du die Kante erkennst. Rückzug bei jeder Kantenerkennung: erst voll rückwärts, stoppen, dann zurück zur Ringmitte drehen. Rückzug schlägt alles, aus jedem Zustand, jederzeit.

Der subtile Teil: Schieben und Feststecken sehen vom Frontsensor identisch aus. Mit Encodern heißt Null Raddrehzahl bei vollem Befehl Blockieren – und das ist dein Signal, zurückzusetzen und aus anderem Winkel neu anzufahren, statt zu schleifen, bis der Akku aufgibt.

Hardware-Notizen, die zählen

Die Keilspitze entscheidet Begegnungen. Dünnes Stahl- oder Alublech, zur Kante geschliffen, starr einen Bruchteil Millimeter über dem Boden gehalten. Auf flexibler Halterung fährt sie über den Gegner statt darunter – was das Vorzeichen der gesamten Gewichtstransferrechnung umkehrt.

Vorn tief halten. Der Gegnerkeil übt Aufwärtskraft an deiner Vorderkante aus, und wie sehr dich das kippt, hängt davon ab, wie hoch dein Schwerpunkt darüber sitzt. Hohe Roboter werden von Robotern geflippt, die sie nicht hätten wegschieben können.

Kein Stützrad, wenn vermeidbar. Gewicht auf einem frei rollenden Rad macht keine Traktion. Zwei Antriebsräder und ein reibungsarmer Gleiter – ein PTFE-Button oder ein runder Schraubenkopf – bringen fast deine ganze Masse zur Arbeit.

Verdrahtung schützen. Das ist der einzige Roboter der Seite, der absichtlich gerammt wird. Alles außen wird getroffen; alles am Stecker lockert sich.

Metallgetriebe. Kunststoffgetriebe reißen in einem Roboter, dessen Normalbetrieb Blockieren ist – und ein gerissenes Getriebe mitten in der Runde ist von leerem Akku nicht zu unterscheiden.

Wie gut aussieht

Kantenreaktionszeit ist die Zahl, die Begegnungen gewinnt oder verliert – und ein größerer Effekt als Schubkraft. Der weiße Ringrand ist 2,5 cm breit. Ein Roboter mit 0,5 m/s quert diesen Rand in 50 ms – eine 100-ms-Reaktion heißt also: Der Roboter ist schon draußen, bevor er fertig entschieden hat zu stoppen.

Dieses Budget zerfällt in Sensorlesezeit, Schleifenperiode und Bremsweg. Alle drei sind angreifbar: Kantensensoren weit öfter pollen als alles andere, Regelschleife eng halten und bremsen statt ausrollen – Kurzschließen des Motors über die H-Brücke stoppt den Roboter dramatisch schneller als Stromwegnehmen.

Die Traktionsdecke ist Arithmetik wert. Mit 500 g auf zwei Antriebsrädern und Silikonreifen bei µ = 1,4:

maximum pushing force = 0.5 kg x 9.81 x 1.4 = 6.9 N

Jenseits drehen die Räder durch, egal welches Motordrehmoment – weshalb ein Sumo-Roboter ein Traktionsproblem im Motorgewand ist.

Wenn es schiefgeht

Sechs dieser acht sind Mechanik- oder Tastfehler – dieselbe Verteilung wie die Micromouse zeigt, und aus demselben Grund: Der Algorithmus ist der kleine Teil.

Willst du Tast- und Stoppgeometrie ohne mechanisches Wettrüsten, fährt der Hindernisvermeidungs-Simulator dieselbe Anhalteweg-Arithmetik mit einem Frontsensor, und der Hindernisvermeidungs-Roboter ist der sanftere Aufbau mit großteils derselben Hardware. Für die Antriebstheorie darunter beginnt der Motorregelungs-Pfad beim Dimensionieren und endet bei Odometrie.