Nuevo proyecto: Air Hockey Robot (3D printer hack)

[English version here]
Después del último proyecto de B-ROBOT, esto es en lo que he estado entretenido los últimos meses...

   Todo surgió a raíz de la construcción de mi impresora 3D. Por un lado, la posibilidad de diseñar y fabricar mis propias piezas y por otro lado, la idea de ¿cómo aprovechar los materiales y los conocimientos en la construcción de la impresora 3D para hacer otra cosa? Es decir, ¿como podría hackear los componentes de una impresora 3D para convertirla en algo distinto?

   Había visto varios proyectos muy interesantes de robots para pintar, para fabricar PCBs etc... pero buscaba algo distinto.

   A esto se unió la afición que mi hija tiene por las máquinas de Air Hockey (y la mía por la robótica) y así un día surgió la idea: Y si.... Mmmmm....Parecía bastante complicado y con muchas incógnitas (detección del disco??, velocidad de movimiento??), pero eso es lo divertido no?

   Tomando como base las piezas de una impresora 3D RepRap típica, es decir, motores NEMA17, drivers, Arduino Mega, RAMPS, correas, rodamientos, varillas, piezas impresas... comenzamos a darle forma al proyecto. La gran ventaja de usar estas piezas es que son baratas y fáciles de conseguir.

   Primero comencé con la construcción de la mesa. Pensé en un tamaño medio (mi casa es pequeña, jeje) pero que fuera suficiente para jugar. Por otro lado tomé las medidas del maletero del coche (quería que el proyecto fuera transportable) y así elegí las dimensiones finales de 100x60cm.

   Compré los tableros y los listones de madera y me puse a montar el bastidor. Primero estaba huyendo de hacerlo con aire y simplemente buscar alguna superficie que deslizara bastante y llegué a montar una mesa de esta forma y se podía jugar, pero la verdad es que perdía bastante gracia, asi que me decidí a hacer una mesa con aire. Tenía muchas incognitas, asi que probé distintas posibilidades hasta que dí con una combinación muy sencilla con 2 ventiladores viejos de PC que funciona muy bien. Por otro lado agujerear la mesa parecía que iba a ser un trabajo enorme pero en realidad, usando una guía para los agujeros, salió bastante fácil.

   Pues bien, ya tenía una mesa de Air Hockey totalmente operativa!! y un par de horitas de juego que le echamos ;-)

   Mientras tanto fui diseñando las piezas del robot. Barajé dos diseños, uno H-Bot y otro el actual. Finalmente me decidí por el actual diseño con 3 motores (2 para el eje Y y uno para el X). Tras varias iteraciones de diseño de las piezas, y algunos cambios de materiales para reducir al máximo los pesos y las inercias (y así incrementar las aceleraciones) llegamos a un diseño bastante operativo. Una de las sustituciones mas importantes es la sustitución de las varillas del eje X por tubos de carbono de cometas que funcionan perfectamente con rodamientos impresos en PLA y ahorran muchísimo peso.

   La parte del código comenzó estudiando el código del Marlin (software típico de las RepRap) pero finalmente decidí no reaprovecharlo por varias razones, primero porque toda la parte de GCODE no era necesaria, y segundo porque los software de las impresoras 3D tienen una parte muy importante de planificación de movimientos que no es la forma en que debe de funcionar el robot de Air Hockey. Las impresoras 3D planifican los movimientos para obtener recorridos suaves pasando por todos los puntos. En el caso del robot de Air Hockey cada nuevo comando que le enviemos debería generar una respuesta inmediata, anulando al anterior, porque lo que prima es que el robot se mueva lo más rápidamente posible a la nueva posición que le hemos indicado.

   De esta forma decidí comenzar el código totalmente desde 0, empezando por implementar el driver para los motores Steppers usando las interrupciones del Arduino y haciendo el código lo más eficiente posible. He implementado un control de posición, velocidad y aceleración, usando una rampa de aceleración con un perfil S-profile en el arranque para hacer los movimientos un poco mas suaves.

  El control de velocidad permite generar pulsos hasta 25Khz que es la máxima velocidad que he conseguido con los steppers. El control de posición funciona a 1Khz.

   Una vez que el robot estaba montado, comenzaron las pruebas e incluso hice una interfaz para controlarlo manualmente desde el móvil por Wifi.

   Para la detección del disco pensé algunas posibilidades pero finalmente decidí usar un sistema de visión.

Inicialmente pensaba usar el sensor CMUCAM5 (Pixy) que encajaba muy bien con este proyecto (y en futuro prepararé una versión para este sensor), pero lo cierto es que los retrasos han hecho que la cámara todavía no este disponible, así que improvisé un plan B: Usar la cámara de la PS3 EYE junto con un PC para desarrollar el sistema de visión. El sistema de visión lo he desarrollado en C usando las librerías de OpenCV para la captura, umbralizado, filtrado y segmentación. 

   El sistema detecta el disco de hockey que debe de tener un color diferenciado y el resultado se envia por un puerto serie al Arduino. El sistema de visión envía paquetes de información que contienen la posición del disco y del robot en píxels dentro de la imagen. La cámara esta funcionando a 60Hz y con una resolución de 320x240. Afortunadamente la cámara tiene muy poca distorsión y no he tenido que realizar correcciones de distorsión de la lente.  A su vez se graba un vídeo en el PC con lo que se está capturando, lo cual es muy útil para depurar.

   Uno de los principales problemas que he tenido es que los motores NEMA17 están bastante justos de potencia para este proyecto y el inconveniente de usar motores paso a paso es que si perdemos pasos (que puede pasar fácilmente, por ejemplo al tropezar el robot con el disco en una pared) no nos damos cuenta y perdemos por completo el posicionamiento del robot. Para solucionar esto, lo que he hecho es aprovechar el sistema de visión para detectar también el robot (con otro color distinto) y así poder detectar cuando el robot ha perdido pasos y solucionarlo.

   Con todo esto, lo que restaba era la implementación (dentro del Arduino) del sistema de predicción de trayectorias y del sistema de estrategia del propio robot. Una vez que tenemos detectado el disco en dos fotogramas consecutivos podemos calcular la trayectoria que va a seguir (ecuación de la recta que pasa por dos puntos, esto son matemáticas del colegio eh!!). También podemos calcular si la trayectoria va a tener rebote con las paredes laterales y su nueva trayectoria. Todos estos cálculos de trayectoria se le pasan al sistema de estrategia que decide qué es lo que va a hacer el robot: Defender, Defender y atacar a la vez o preparar un nuevo ataque.

   Una parte bonita de este proyecto es que el subsistema de estrategia esta totalmente aislado y es muy fácil que cualquiera pueda en el Arduino modificar la estrategia y programar su propio código aislándose de las complejidades del control de los motores, del sistema de visión y de la predicción de trayectorias. Al final la estrategia es lo que hace que el robot gane o pierda!! así que se plantean posibles competiciones de robots de Air Hockey ??

A pesar de que pueda parecer complejo, es un proyecto reproducible, con materiales asequibles y totalmente abierto:

• Repositorio de código, diseños 3D, documentación: GitHub
• Manual de construcción (disponible también en inglés): Manual

(*) El manual de construcción incluye fotos detalladas del proyecto

Algunas otras consideraciones que se han tenido durante el proyecto (y para el futuro):

• Reproducible: Facilidad para conseguir los materiales, documentación, código y hardware abiertos...
• Transportable: El robot se desmonta completamente solamente con 6 tornillos. Así que se puede desmontar para jugar o transportar.
• Adaptable: Es muy fácil adaptar el nivel de juego del robot, por ejemplo para jugar con niños, simplemente bajando la aceleración y velocidad máxima del robot (esto se podria mejorar en un futuro o incluso que fuera dinámico)
• Actualmente el robot no detecta los goles pero se podría plantear algún sensor para ello (futuro).
• En un futuro el robot podrá autocalibrar la cámara usando unos movimientos predefinidos al inicio (evitaría la calibración de la cámara).
• Competiciones: La mesa permite colocar 2 robots, uno a cada lado. Competiciones entre robots ???? Al final cada uno podría tener su código con la estrategia y comparar distintas estrategias en un torneo...
• Ciencia: Es un proyecto estupendo y entretenido para enseñar ciencia y en especial a los niños:
• Conceptos de física: Rozamiento, movimiento continuo y uniforme, rebotes, conceptos de posición, velocidad y aceleración
• Conceptos matemáticos : Ecuación de la recta que pasa por dos puntos, predicción, Sistema cartesiano XY
• Robótica: Motores, Sistemas de visión, Control, Arduino.
• Filosofia DIY : Construye tu propia mesa de Air Hockey!
• Hacking : Usar las piezas de una impresora 3D para construir algo totalmente diferente.

  ¿Cuál es el nivel de juego actual del robot? Pues bien, actualmente el robot le gana fácilmente a un niño. Un adulto con cierta experiencia (yo mismo jeje) todavía le puede ganar al robot, pero seguramente con algunas pequeñas mejoras más va a estar realmente difícil ganarle...

  El proyecto esta totalmente vivo y en fase de mejoras, tanto en el código como en el robot... cualquier aportación al proyecto será bienvenida...

Science&fun
  Jose Julio (@jjdrones).

New Project: Air Hockey Robot (a 3D printer hack)

[Version en español aqui]
After the last B-ROBOT project, this is what I've been doing the last months...really fun...

  Everything started when I built my 3D printer. First, the posibility to design and build my own parts and second, how could I hack the components of a 3D printer to make something different? 

  I have seen several interesting projects of robots that paint or manufacture PCBs, etc ... but I was looking for something different... 

  My daughter loves the Air Hockey game and I love robotics so one day an idea born in my mind... can I construct...??... Mmmmm .... it seemed very complicated and with many unresolved questions (puck detection??, robot speed??), but that is also part of the fun...

  Based on the idea of use standard RepRap 3D printer parts : NEMA17 stepper motors, drivers, Arduino Mega, RAMPS, belts , bearings, rods, printed pieces ... I started to develop the project. The main advantage of use these parts is that they are cheap and easily available. First I started with the construction of the air hockey table. I choose a medium size (my house is small, ;-)) I wanted something easily transportable but comfortable to play. The final dimensions are 100x60cm. 

  I Bought some wood boards and wood slats and began to mount the table. First I started to build and airless version but it really lacks the feeling so I decided to make a table with air. I tried different possibilities until I test a very simple combination with 2 old PC fans that works very well. I made the table holes (it seemed a hard work but it was not so hard) and I now I had a fully playable Air Hockey table! Time to enjoy it an play!! 

  Meanwhile I was designing the robot parts. I think two defferent designs, one H-Bot and another with 3 motors. Finally I decided to use the 3 motor design (2 for the Y axis and one for the X axis). After several design iterations of the pieces, and some material changes to minimize the weight and inertia (and thus increase the accelerations of the robot) I got a fairly operational design. One of the most important change is the replace of the X axis rods with carbon tubes ones (from kites) that works very well on PLA printed bushings and save a lot of weight.

  The code: I started studying the code of Marlin ( typical RepRap firmware) software but I decided to start from scratch, first because I don´t need a gcode interpreter and second because the software of a 3D printer have a motion planning algorithm and this is not the way the Air Hockey robot must work. 3D printers plans movements for smooth paths through all the points. The Air Hockey Robot should move inmediately with every new command canceling the previous one, because what we need is that the robot moves as quickly as possible to the new position. 

  I began developing the driver for Steppers motors using Arduino interruptions and making the code as efficient as possible. I implemented position, velocity and acceleration control, using an acceleration ramp with a simplified S-profile. The interrupts can generate pulses up to 25Khz which is the maximum speed that I can achieve with the steppers. The position control works at 1 kHz.

  For the puck detection problem I decided to use a computer vision system. Initially I planned to use the CMUCAM5 (Pixy) sensor that fits very well in this project (and in near future I will prepare a version for this sensor), but the camera is not available yet, so I started a new route: Use the PS3 EYE camera with a PC to develop the vision system. I developed the vision system in C lenguaje using OpenCV libraries for capturing, thresholding, filtering and segmentation. 

  The system detects the puck (must have a special color) and the result is sent to the Arduino by serial port.   The vision system sends information packets containing the position of the puck and the robot in pixels within the image. The camera is running at 60Hz at a resolution of 320x240. Fortunately the camera has very little distortion and I don´t need to implement a lens distortion correction. The software records a video on the PC which is very useful for debugging.

  One of the main problems I've had is that the power of the NEMA17 motors are pretty fair for this project and the disadvantage of using stepper motors is that if we lose steps (which can easily happen, for example when the robot hits the puck against the wall) and we do not take into account the missing steps we lose the position of the robot. To fix this, what I've done is to use the vision system to detect also the robot (with a different color) so we can detect when the robot has lost steps and fix it. 

  What remained was the implementation (in the Arduino) of the trajectory prediction system and the strategy of the robot. Once we have detected the puck in two consecutive frames we can calculate the trajectory (equation of the line through two points, this is college math!). The trajectory prediction takes into acount that the puck could bounce in a side wall. All these calculations are accesible to the strategy subsystem that decides what the robot will do: defense, defense+attack of prepare a new attack. 

  A nice part of this project is that the Strategy subsystem is fully insulated and is very easy for everyone to modify this part and program their own strategy algorithms isolated from the complexities of motor control, vision system and prediction code. The strategy is what makes the robot wins or lose! so in the future we could see Air Hockey robot competitions?

Although it can seems a complex project, it´s an affordable and doable project.

• Code repository, 3D designs, documentation link: GitHub
• Detailed build Instructions link: Build manual

(*) The build manual contains high detailed photos of the project

Some other considerations that have been taken during into account in this projectt (and the future):

• The project is reproducible: Easy to get materials, documentation, open source code and open hardware ... 
• The robot is removed completely from table with only 6 screws. So it can be removed for play or transport 
• It's very easy to adjust the level of the robot, for example to play with children, just turn down the acceleration and maximum speed of the robot (this could be improved in the future) 
• Currently the robot is not able to detect goals but we could improve this in future. 
• In future the robot can self-calibrating the camera using predefined movement at beginning (to avoid the camera calibration). 
• We could mount two robots per table, one on each side. Competitions between robots?? Compare different strategies in a tournament? ... 
• It's a great and fun project to teach science specially for childrens: 
• Concepts of Physics: Friction, continuous and uniform motion, rebounds, concepts of position, speed and acceleration
• Mathematical Concepts: Equation of the line through two points, prediction, XY Cartesian System
• Robotics: Motors, Machine Vision, Control, Arduino
• DIY Philosophy: Build your own Air Hockey table
• Hacking: Using 3D printer parts to build something completely different. 

  What is the current robot skill? Well, now the robot could easily beat a child. An adult with some experience (myself, lol) can still win the robot, but I am sure that with some more small improvements it is going to be really hard to beat ... 

  The project is fully alive with undergoing improvements, both in code and the robot ... all contribution to the project are welcome ...

 Science & fun
   Jose Julio (@ jjdrones)