This assignment is made of three independent exercises.   Each  exercise  assesses  a different stage of the design process, each on a different real-world context. You are to attempt ALL of the 3 exercises.

README:

• There are 5 pages to this final assignment document including this cover page.

•  This assignment serves as the final assessment for this subject, covering content of the entire subject.

• Not all exercises in this assignment are of equal marks. Read the instructions carefully.

•  Ensure that your assignment is typed (using a word processor) and not hand-written, for the legibility of the content.

• You may ask question(s) only through the Ed Discussion Board during the period of the assessment. A Discus- sion Board channel for Assignment 5 has been created.  No question should be asked over emails.  This ensures that everyone gets access to any clarification and comments we may provide.  We will answer the question if it pertains to any lack of clarity of the assignment, but not to provide any assistance in the execution of the assignment.

•  There is no explicit page limit for this assignment. However, succinct and clear is always better (more is NOT better).

•  The quality of the report (presentation and quality of the explanations) are not explicitly accounted for with explicit marks but will be accounted for in the marking of each exercise.  As such, it is highly recommended that you keep enough time to proofread your assignment, edit it as necessary and improve your explanations and the presentation.

•  This is an INDIVIDUAL assessment.  It is open-book, hence you may consult any material, BUT you are not to communicate with any other person on this assessment. This includes your peers and anyone outside the class, including any “study help websites or services” that are manned to provide answers to specific questions asked. As per the University policy, while you can use ChatGPT or other LLMs to prepare your assignment this should be clearly and explicitly acknowledged in your assignment, as any other external resource you may use/refer to.

•  Students have been instructed to familiarise themselves with what constitutes academic integrity and academic misconduct, and there will be no excuse for ignorance in this Master level subject.

Objectives

1.  To evaluate ability of individual students to apply the concept of design thinking and the knowledge of mecha- tronics systems on the structured problems below.

2.  To assess the ability of the students to manage a complex design problem and to communicate clearly and professionally in written format.

EXERCISE III - Speed climbing — System design and components se-lection

(7 marks)

Background information

Sport climbing has been introduced as part of the Summer Olympics in 2020.  One of the two climbing discipline is the speed climbing where two athletes compete side by side on two standard artificial 15-metre climbing walls (i.e. the wall is exactly the same, with the exact same route, the exact same holds, at the exact same place for every competition and for both athletes).  The fastest athlete to get to the top wins the race.  You can see an example during a world championship on Youtube: https://www.youtube.com/live/3OO4LPwRuOE?si=BEgLOkcfNZkeCHIi&t=40 .

Best athletes climb this standard wall in 4s to 8s, with the women’s world record set at 6.06s and the men’s world record at 4.74s.

For such competitions, the artificial wall is equipped with a mechatronic system which has two main roles:

• ensuring climbers safety at all time via a safety rope, automatically winding up as they climb the wall and bringing them down at the end;

•  accurately measuring the climbing time, to identify the winner and possible records.

The mechatronic system requirements, defined based on the user needs and the international federation rules and recommendations, are as follows (all are essential requirements):

Table 1: Essential Requirements of the speed climbing system

You have been tasked to design such system for athletes to train in similar conditions as during the competition and specifically using an active (motorised) auto-belaying system.

We assume that the system is made of two independent subsystems which only share a common power source and controller:

• A - The auto belaying sub-system and,

•  B - The time measurement sub-system.

In addition, given the difficult mechanical requirements of the auto belaying sub-system (sub-system A),we consider a sub-system made of one actuator (motor) and two different gearheads, one acting in one direction (up) and one acting in the other direction (down).  Each of these gearheads are connected to the actuator shaft (the input) and to the pulley (the output) only in one of the direction.  This is achieved by placing a sprag clutch  (each in reverse direction of the other) on the respective gearheads shafts as shown on Figure 3.

Your task

1.  Provide the necessary modelling of the system to link the system requirements and components specifications for sub-system A and find the mechatronics components required, briefly justifying your choice based on the above requirements and modelling. (5 marks)

2.  Find the necessary components required for sub-system B, briefly justifying your choice and why they can be used to produce a functional system. (1 mark)