background image

Sysmic Robotics 2023 Team Description Paper

Tom´

as Rodenas, Daniel Torres, Pablo Reyes, Javiera Pe˜

na, Claudio Tapia, and

Daniela Moya

Universidad T´

ecnica Federico Santa Mar´ıa, Av. Espa˜

na 1680, Valpara´ıso, Chile

Abstract.

This paper briefly describes what the team has developed for

the third generation of mobile robots, particularly the changes made since
2020 so far. The team’s approach this year was to optimize the kicker
system, restructure the design of the robot’s prototype, the creation of a
new client, changes in the wheels’s mechanics and finally a new version of
the data package sent to each robot. The topics involving our work, such
as electrical, mechanics, software and firmware, were designed according
to satisfy the Robocup rules.

Keywords:

Robocup

·

Small Size League

·

Mobile robots

1

Introduction

Sysmic, is a team of students from the Technical University Federico Santa
Mar´ıa. The team first attended the Small Size League (SSL) in 2018 in Mon-
treal by the name of AIS, obtaining a sixth place in Division B. The team
stood partially inactive between 2020 and 2021 due to pandemics, and now in-
tends to participate in the RoboCup 2023, Bordeaux. In this regard, there have
been no significant changes to our mechanical and electrical design, other than
those discussed in the following paragraph. The inability to work actively during
2020/21 slowed down the pace of work prior to the quarantines, and therefore
we have maintained the vast majority of our designs until 2020 [5]. On the other
hand, most of these changes come from our developments presented for the 2019
RoboCup [8], which we were not able to test in a competitive environment, and
therefore we did not see the need to modify them substantially until we tested
them in competition. Nevertheless, the following section summarises our TDP
and the changes we have made from our previous design, as well as some of the
ongoing developments we have in the software area.

In section 2, we briefly present the mechanical design of our robots and the

modifications we have made to the drive train, moving to a gearless system
because the torque characteristics of our motors are adequate for this operation,
which provides us with a significant reduction of the space that was occupied by
the gear system and has a direct influence on the cost of manufacture. Section
3 presents the changes made to the hardware of the robots, specifically a new
kicking system that allows to charge the associated capacitors 6x times faster
than our previous design. Section 4 addresses the changes made in the software
area, presenting the current development of a new graphical user interface (GUI)

pdftohtml_folder/2023_TDP_Sysmic_Robotics-html.html
background image

2

T. Rodenas et al.

Fig. 1: General structure of our robot.

for our client, as well as modifications in the communication packages between
it and the robots.

2

Mechanics

2.1

Summary of structural design

The current version of our robot generally has the same structure as our de-
sign submitted in our RoboCup 2020 application [5]. The main features of our
mechanical design are:

Structure composed of parts printed in PLA filament joined by two 3 [mm]
thick Alucobond discs.

Height of 13.5 [cm] and a diameter of 18 [cm].

Upper case made of lightweight material, currently cardboard and potentially
fiberglass.

The external part of the wheels are 3D printed. One iteration of our design
considered machining aluminum, but that was too expensive for our budget.

Figure 1 shows the design of our robot presented in our 2020 TDP. For more

details of the transition from previous designs refer to the cited paper.

Another highlight of our current design is the dribbler. Inspired the Tigers

Mannheim 2018 ETDP [6], we proposed a mobile design that solves the problem

pdftohtml_folder/2023_TDP_Sysmic_Robotics-html.html
background image

Sysmic Robotics 2023 Team Description Paper

3

Fig. 2: Dribbler design.

of null damping (see Fig. 2). The structure of the dribbler is made of plastic
additive manufacturing (PLA with an FDM 3D printer), with two brass pulleys
and an O’ring that transmit the motion from the motor to the roller. On the
sides are oval silicone rings that allow movement between the part that holds
the roller and the motor, with the support to the robot. The roller is placed at
a height of 38 [mm] above the ground, with a diameter of 11 [mm], which means
that the coverage of the ball does not exceed 13% of the surface of the ball when
viewed from above.

2.2

Drivetrain modification

For this new version, a coupling was designed so that the wheel and the motor
were directly connected, creating a single wheel lock system, this caused the
elimination of the previously used gear system. This change gave us a decrease
in the overall height of the robot by approximately 15 [mm] and a decrease in
its radius by 2 [mm]. These changes are inspired by the modifications the Tigers
Mannheim team made to its powertrain in the 2020 ETDP [7].

Production cost decreased because the coupling was taken from a 5/16” hex

bolt that was cut to the desired length and press-drilled into the motor. We no
longer need to spend on the creation and production of specific gears but rather
use already standardized bolts. According to the current prices of purchase and
import of gears to Chile, the change of the drive system represents a saving of
about

$

120.00 (USD) per robot.

Fig. shows our former drivetrain design, while Fig. presents the direct

motor to wheel connection.

3

Hardware

3.1

Kicker

This year we have improved our ball kicking system. The first version of the
kicker featured a relatively simple boost circuit that charged two 1200 [uF] ca-

pdftohtml_folder/2023_TDP_Sysmic_Robotics-html.html
background image

4

T. Rodenas et al.

Fig. 3: Former drivetrain design.

(a)

(b)

Fig. 4: New drivetrain with motor to wheel connection.

pacitors to 120V in about 6 seconds (see Fig. 5a). Given the requirements of the
competition, it was necessary to optimize the kicking system, opting to use a
high-voltage charge controller for capacitors with built-in regulation, for this we
choose the LT3751 integrated circuit (IC) [4]. This particular IC has been used
by other teams, such as “MRL Small Size Soccer team [2]” due its fast charging
capabilities and easy of integrate. This IC proved to be effective in charging two
1200 [uF] capacitors each at 220V in about 1 second. This led to the development
of a new 4 layer PCB with the LT3751 at its core (see Fig. 5b), however the
board design induced noise in the sources and generated random system reboots.
In this way, the current PCB board for the LT3751 IC was developed (see Fig.
for the current board design and Fig. for its schematic), with the following
characteristics:

pdftohtml_folder/2023_TDP_Sysmic_Robotics-html.html
background image

Sysmic Robotics 2023 Team Description Paper

5

(a)

(b)

Fig. 5: Former kicker boards. (a) was a simple boost used from 2015 to 2018. (b)
was the board used from 2019 to 2020, but generates noise on the system.

Fig. 6: New board developed in 2022 with improved features.

It incorporates bleeder resistor to lower the voltage level of the capacitors
and thus improve kick control.

Add more filter capacitors to improve voltage stability.

The relay actuator to deliver energy into kicker solenoid was changed for a
high current IGBT with isolated gate.

The new PCB include the option to test 2 different flyback transformers:
the DA2033-AL (5A max in primary coil) and the GA3459-BL (20A max
in primary coil). After corresponding tests, we choose to use GA3459-BL
because it is 4x times faster charging the capacitors, taking approximately
600 milliseconds.

The board incorporates multiple solder bridges to test different configuration
for the LT3751 IC, like connect FB pin to ground or to a voltage divider in
the high voltage side, different voltages for LVgate, different voltages for
clamp pin and the option to separate ground for high voltage side.

Fig. shows the kicker board mounted on the robot.

pdftohtml_folder/2023_TDP_Sysmic_Robotics-html.html
background image

6

T. Rodenas et al.

Fig. 7: Main circuit schematic for charging capacitor on kicker board.

Fig. 8: Robot with kicker board mounted.

pdftohtml_folder/2023_TDP_Sysmic_Robotics-html.html
background image

Sysmic Robotics 2023 Team Description Paper

7

4

Software

4.1

Custom client

In the past years, the team relied on a fork of the Robojackets open-source
software client

1

to participate in the competition, and to test the mechanic’s

capabilities and hardware functionality of our robots. Due to an increase of
team members majoring in computer science, the creation of a client that fits
the characteristics of our robots was a desirable step to develop software more
suitable to our needs. Currently, a new version has been developed based on an
unfinished project created by former members of our team. The current objective
is focused on creating a base framework that allows easy incorporation of future
high-level research, thus creating a testing ground for old and new members.

Frontend migration to Tailwind.

Our former client’s GUI was developed in

QT, as reported in our 2019’s TDP [8]. The new version of our GUI is based on
Electron

2

a framework for building cross-platform desktop applications using

JavaScript, HTML, and CSS. In addition, we are using Tailwind CSS

3

a CSS

framework that allows agile development, based on utility classes that can be
easily applied in the HTML code and some development flows to optimize the
weight of the CSS code. This new proposal allows us to significantly speed up
and modularize the development of our client’s GUI and back-end, with modern
software tools that are being widely used in the development of different appli-
cations. A preview of the current GUI development is shown in Fig. 9. English
The biggest advantage of the new GUI is the easy addition of interfaces as new
technology is developed by the team. Elements such as the data gathered by the
sensor-fusion module, robots battery, signal and other characteristics that could
be helpful to visualize to ensure better control of the behavior of our robots in
the future matches.

Use of Python as connection between our engine and the view.

The

first iteration of the new client version was completely developed in JavaScript,
which implies that the view and the connection allowed us to show our robots
digitally used JavaScript libraries. To achieve this we used dgram

4

a socket-

oriented library that has been deprecated, so eventually, it will be removed from
npm (Javascript Software Registry) and could mean important vulnerabilities
as well as eventual incompatibilities between the software libraries used.

In response to this issue, we resolved to adopt Python as our intermediate

language to link the engine ports with the robots information and the client
ports to bind them.

1

https://github.com/RoboJackets/robocup-software

2

https://www.electronjs.org

3

https://tailwindcss.com/

4

https://www.npmjs.com/package/dgram

pdftohtml_folder/2023_TDP_Sysmic_Robotics-html.html
background image

8

T. Rodenas et al.

Fig. 9: GUI screenshot

Fig. 10: General diagram of the system developed in 2019

The core aspects of the original vision of the previous version have remained

unchanged, with only features already present in the overall structure being
updated. This is shown in Fig. 10.

Our team’s software section is still gaining strength, and as a result, areas

such as high-level AI, sensor-fusion, and self-referee are aspects of the client that
we have not yet developed sufficiently to call them substantial progress. Initially,
we heavily relied on the software developed by RoboJackets [1], but we found
ourselves constantly adapting it to suit our needs. Since we did not write the
code, deciphering it was highly unproductive. Hence, we decided to create our
own software. Moving forward, we aim to make more robust progress in these
areas in future iterations, while relying even less on the software developed by
RoboJackets.

pdftohtml_folder/2023_TDP_Sysmic_Robotics-html.html
background image

Sysmic Robotics 2023 Team Description Paper

9

byte

bit

7

6

5

4

3

2

1

0

0

Robot ID

Dribbler strength

1: Shot

CB

1

±

Speed

v

x

2

±

Speed

v

y

3

±

Speed

v

θ

4

Sig. bits

v

x

Sig. bits

v

y

Sig. bits

v

θ

Table 1: Forward communication protocol

4.2

New version of the data package

To improve the resolution of the speeds delivered to each robot, we increased
the size of the data packet based on the work of ZJUNlict [3] by one byte. This
enables us to deliver significant bits that allow better speed control. The data
packet used to transmit instructions to the robots is known as the forward data
package. The contents of this package are shown in Table 1.

Also, the first byte of the forward packet contains 8 bits. Bit 0 (

callback

or CB) indicates whether the robot should send a feedback packet back to the
client; it is set to 1 to instruct the robot to send packets, and 0 to indicate that
it should not send feedback packets. Bit 1 indicates whether the robot should
kick the ball; it is set to 1 to instruct the robot to kick, and 0 to indicate that it
should not kick. Bits 2 to 4 indicate the dribbler strength, and bits 5 to 7 indicate
the robot ID to which the instruction is sent. Bytes 1, 2 and 3 then correspond
to the sign and the 6 least significant bits of the

v

x

,

v

y

and

v

θ

components of the

velocity vector command sent to the robot. Byte 4 contains the 3 most significant
bits for

v

x

and

v

y

and the 2 most significant bits for

v

θ

, where experience has

shown that no extra resolution is required.

We are currently developing a feedback package that will deliver information

from the robots back to the client side (see Table 2). Although this package is
still in the early stages of development, it already includes data on the dribbler
velocity, kicker activation, ball possession, and wheel speed. In addition, the
robots are also sending data on local accelerations and yaw angular velocity
measured by an integrated inertial measurement unit. This data is intended for
use in data logging and an upcoming local position estimation method that will
give the robots greater autonomy.

pdftohtml_folder/2023_TDP_Sysmic_Robotics-html.html
background image

10

T. Rodenas et al.

byte

bit

7

6

5

4

3

2

1

0

0

Robot ID

Dribbler strength

Shot

Ball

1

±

Wheel speed

ϕ

0

2

±

Wheel speed

ϕ

1

3

±

Wheel speed

ϕ

2

4

±

Wheel speed

ϕ

3

5

±

Front acceleration

a

x

6

±

Side acceleration

a

y

7

±

Yaw angular velocity

θ

z

5

Sig. bits

a

x

Sig. bits

a

y

Sig. bits

θ

z

Table 2: Feedback communication protocol

References

1. Georgia tech robojackets software for the robocup small size league (ssl),

https:

//github.com/RoboJackets/robocup-software

2. Amin Ganjali Poudeh, e.a.: MRL extended team description 2019 (2019),

https:

//ssl.robocup.org/team-description-papers/

3. Huang, Z., Chen, L., Li, J., Wang, Y., Chen, Z., Wen, L., Gu, J., Hu, P.,

Xiong, R.: Zjunlict extended team description paper for robocup 2019. CoRR

abs/1905.09157

(2019),

http://arxiv.org/abs/1905.09157

4. Inc, A.D.: LT3751 high voltage capacitor charger controller with regulation (2017),

https://www.analog.com/en/products/lt3751.html#product-reference/

5. Pablo Reyes, e.a.: Sysmic Robotics - Team Description Paper (2020)
6. Ryll, A., Geiger, M., Carstensen, C., Ommer, N.: TIGERs Mannheim - Extended

Team Description Paper (2018)

7. Ryll, A., Jut, S.: TIGERs Mannheim - Extended Team Description Paper (2020)
8. Tom´

as Rodenas, e.a.: Sysmic Robotics - Team Description Paper (2019)