Immortals 2019 Extended Team Description

Paper

Omid Najafi Koopai

1

, MohammadAli Ghasemieh

2

, Mehran Khanloghi

3

,

AliReza Mohammadi

3

, AmirMahdi Matin

3

, AmirMahdi Torabian

4

March 20, 2019

1

Sharif University of Technology

2

Pars University of Art

3

University of Tehran

4

University of Science and Technology

http://www.immortals-robotics.com

Abstract.

This paper describes the recent works done by the Immortals

team, a team consisting of undergraduate engineering students, currently
focusing on the Small Size League. There were changes applied to the
mechanics and electronics of the robots in the previuos year. This year,
the team focused on solving the issues which were observed during the
recent competitions including RoboCup 2018, Montréal. The goal is to
achieve a reliable design where there is no need for any robot substitution
due to damages during a match. In addition to the current robot, there
is a 3D printed robot which was introduced in the previous year by this
team and has been improved and tested in the recent competitions.

1 Introduction

The Immortals Robotics Team is a team of undergraduate students from Sharif,
Tehran and Pars University. The team started the Small Size League (SSL)
project in the summer of 2007 and produced its first robot after one year, there
have been major revisions made in the designs of the robots since then. In this
paper the most recent changes on the designs and achivments made by the team
will be shared with the reader whom, wants to design or modify an SSL robot.
There is also a new type of robot which was introduced by this team in the past
year known as the 3D-Printed robot [1,4].

1

2

Fig. 1.

Current Immortals Robot

2 Mechanics

In the past two years there were multiple changes applied to the chip kicker in
order to reach the most efficient design. A great number of simulation tests were
done on every chip design and after a successful test, the parts were manufactured
for real world testing procedures.

2.1 Chip kickers new design

Chip kicker is a part which should have a high resistance against impacts, it
has to be efficient in transmitting the force applied to it from the chip kickers
plunger to the ball. The first improvement in the chip kicker is that

θ

(angle

between a line which passes through the chip kickers axis of rotation and impact
point and the direction of the force vector)has been increased to 90 degrees. With
this improvement the force applied to the chip kicker will be completely in the
direction of the angular acceleration of the chip kicker. According to the torque
relation, It is shown that when the angle between the force and the distance
vector turn into 90 degrees, the ball would receive the most impact from that
force.

The other improvement is to increase the moment of inertia around the chip

kickers axis of rotation. This way, more angular acceleration can be achieved by
the chip kicker.

In this section a function for angular acceleration of the chip kicker will be

driven. As known, the relation between the moment of inertia around the chip

3

kickers axis of rotation and sum of torque applied to the chip kicker can be
written as:

∑

T

=

Iα

(1)

T

=

F b

(2)

Equation 1 is one of the general equations of motion for rigid body in plane
motion [7]. Although the chip kicker is a 3D model in real life but the most
important part of the chip kicker (which is shown in Fig.2) is the design of the
arms of the chip kicker which can be discussed in 2D (The arms of the chip
kicker which is shown in Fig.2 are the same at both left and right sides of the
chip kicker assembly. For 2D analysis we neglect the thickness of this part).

b

is the vertical distance between center of pin of the chip kicker and point

which force is applied.

T

is torques applied to the chip kicker. In this problem there is only one torque

which is applied to the chip kicker and in equation 2 this torque is defined.

α

is the angular acceleration of the chip kicker.

I

is moment of inertia around the axis of rotation of the chip kicker.

F

is the force applied to the chip kicker by the plunger.

It is not necessary to calculate the impact force accurately thus, it is assumed
that the force applied, is constant to reduce the parameters involved in the new
chip kickers design. the impact force is approximated by the equation below:

F

=

m

plunger

V

2

f

−

plunger

2

d

(3)

Where

m

plunger

is the mass of the plunger and

V

f

−

plunger

is the velocity of

plunger exactly before the impact and

d

is the distance in which the plunger

and the chip kicker are in contact during the impact.

Below is an expression for the angular acceleration, resulted from the previous

equations:

α

=

bm

plunger

V

2

f

−

plunger

2

Id

(4)

By assuming F as constant

1

, The angular acceleration will be a function of:

α

=

f

(

b

I

)

(5)

1

Constant force assumption is because of the very low period of time which the plunger
and chip kicker is in contact. It is assume that the force won’t change significantly
during the impact.

4

As a result, if the moment of inertia around the axis of rotation reduces by de-
creasing the mass of the chip kicker or reducing the distance between its center

of mass and the axis of rotation,

α

will increase. As shown in Fig.2,

b

I

is calcu-

lated for both old and new designs:

Fig. 2.

b

I

for old (left) and new (right) design

The results show that

b

I

for the new design is larger than the old one; Therefore,

the angular acceleration for the new design should be more than the angular
acceleration in the old design. As discussed above, the new design of the chip
kicker is more simpler to manufacture ,more reliable and lighter than the old
design.

In order to test these results, the impact for both old and new designs were

simulated in SolidWorks (as shown in Fig.3).

Fig. 3.

A view of the old (top left)and new (bottom right)chip kickers in a

simulation enviroment

5

For simulating ball kick in

SolidWorks Motion analysis

The below steps were

taken:

1. Creation of the part of the SSL field.
2. Importing the necessary parts of the new and old designs of the chip kicker

into the assembly.

3. Fixing the left and right stands of the chip kickers for both designs by using

the “Fix” option in SolidWorks (in reality the left and right stands of the
chip kickers are fixed to the robot).

4. Back surface of the both plungers should be parallel. Bottom surface of both

plungers must be parallel to the field. These considerations are done by the

Mate

option in SolidWorks assembly section.

5. Both plungers must be at the same position and distance from the chip

kicker.

6. A linear motor is defined for each plunger which the direction of the move-

ments are in the direction of the force applied to the chip kicker which is
parallel to the fields surface.

7. For correct positioning of the ball for each chip kickers design; each ball

should be tangent to both the field and the chip kicker. After these

Mates

were defined it can be deleted in order for it not to affect the results of the
simulation (if the mates exist; after the impact between plunger and the chip
kicker the ball will stick to the chip kicker and will not move at all).

8. Contact must be defined between the ball, the chip kicker and the plunger.

The positions of the center of mass for each ball in the simulation is shown

in Fig.4.

Fig. 4.

Position time graph for a ball being kicked by the new chip kicker

(Blue)and old chip kick (Orange)

In conclusion, the new chip kicker can kick the ball further than the old one.

The most important point here is that the new chip kickers design made its
process of manufacturing much easier and faster.

6

3 Electronics

Last year there were major changes applied to the design of the electronics. At
the time of writing this paper, it has been about one year which these circuits
were used and have been tested and qualified in different matches. Currently all
the robots (including the 3D-printed robots) are functioning with the help of
these circuits. The reader is referred to the previous years TDP [1]of this team
for more details about the main circuit.

For this year, (1)There have been some research made for designing the teams

future sender base in order to communicate with a great number of robots. (2)A
new type of motor encoder is used for a better and more reliable robot navigation.

3.1 Communication

Last year, teams in division A were permitted to use 8 robots in the field during
the play, in the next years this limit will increase to 11. This fact comes with
different challenges for all teams related to there robots communication system.

Number of links to every robot from a senders base, bit rate and packet

size limit are the three parameters that have an inverse relationship with each
other. Some teams solve this problem by using two or more sender bases, each
controlling a set of robots. A few other teams decided to send there data with
a lower rate or smaller packet size. In the Immortals team the goal was to use a
single sender base without reducing any of the three parameters. Using the same
type of RF module on the main circuit of the robot [2]. Currently the sender
which is used to communicate with the robots, is using a RF module called
the nRF24L01 from Nordic Co., The RF module implemented on the robot is
nRF52832 which also is from Nordic Co.. Both the modules are capable of using
the Enhanced ShockBurst protocol (ESB) and are currently using that protocol
to communicate. The nRF24L01 acts as a bottle neck for the system since it has
a slower bit rate in compare to the nRF52832 Thus, it is decided to design a
sender base with the nRF52832.

By using an nRF52 Development Board and an Arduino Ethernet Shield it

is possible to setup a simple sender base equipped with the nRF52832 module
(see Fig. 5).

After running many tests the average amount of packet loss for the link

between the sender and the robot was negligible (less than one packet loss
among 60 packets per second on average). Using the previous sender of the team
(nRF24L01)the average packet loss was one or two out of 60 packets. Although
this might not be a concern when the robots can still get navigated properly with
a few packets lost, it may be important for teams that wish to run 11 robots in
the future.

7

Fig. 5.

A sender made by deploying an Arduino Ethernet Shield on a nRF52

DK board

3.2 Magnetic Encoder

Until last year the robots were equipped with a disk encoder which required
the motor to have a back shaft, If the backshaft bends slightly due to very hard
collisions made with the wheel, the disk encoder will malfunction and in extreme
cases the encoders disk and ciruit will hit each other resulting in the damage of
the encoder itself.

It was decided to use magnetic encoders due to the explained issues. The type

of encoder which the team currently uses is TLE5012B-E1000 [5], The previous
disk encoders were the E4T-500 Miniature Optical Kit Encoderers [6].

After using the magnetic encoder the precision of the motor speed increased

by a factor of 8 due to the high resolution of the magnetic encoders, there were
no robot substitutions due to malfunctioning encoders, the process of assembling
and disassembling a robot got very fast and easy, the motors we used were not
needed to be specially customized which takes much time to get prepared by the
manufacturer.

On the other hand the magnetic encoder outputs are a little vulnerable to

noise and the data gets invalid when a strong magnetic field gets presented, For
example when the robot performs a kick the encoders will give an invalid data
output for a few tens of milliseconds.

4 Software

At the time of writing, the main software has not improved much. There are
some functionalities which got added to navigate the robots in a more controlled

8

Fig. 6.

Immortals magnetic encoder module

and smooth way, some structures were changed in the software to be able to
implement state machine code which made it able to perform tasks like ball
placements.

9

References

1. Najafi, O.,Ghasemieh, M.A.,Khanloghi M.

:Immortals 2018 Team Description Pa-

per

. RoboCup 2018 SSL, (2018).

2. Nordic Co. https://infocenter.nordicsemi.com/pdf/nrf52832_ps_v1.0.pdf.
3. Nordic Co.

2.4 ghz rf system-on-chip, transceivers and audio streamer -

www.nordicsemi.com.

4. Immortals

Open

Source

Project.

https://github.com/ma-

ghasemieh/immortals_ssl_opensource_mech.

5. Infineon

Co.

https://www.infineon.com/cms/en/product/sensor/magnetic-

position-sensor/angle-sensor/tle5012b-e1000/.

6. US digital Co. www.usdigital.com/products/e4t.
7. J.L. Meriam, L. (n.d.). Engineering mechanics dynamics.