Robotik Sensible Helfer auf der Erde und im All– Robotik-Systeme erfüllen einen bestimmten Zweck – Konstruktion und Bau eines Greifarms Damit werden bereits durch die Gliederung

RobotikSensible Helfer auf der Erde und im All

Lehrmaterial Sekundarstufe I

Mit Praxisteil:

Bau eines

Roboterarms

Bildnachweise

49 (Bild 4), 67 (unten): AdobeStock; 60 (oben rechts): Audi; 46 (unten Bild 2): Christian Ulrich; 64 (unten): David Drill; 58: DFKI GmbH /Jakob Weber; 3, 4 (Mitte rechts), 38, 39, 42 (Bild 1), 45, 46 (unten Bild 4), 51 (oben), 53 , 56 (oben), 59, 61 (oben), 61 (Mitte Bild 2), 65, 66 (rechts), 67 (oben), 70 (oben), 70 (Mitte rechts), 71, 72: DLR; 62 (oben links): DLR / Jordi Artigas; 76 (oben): DLR / DesignData; 46 (oben): DLR / T. Bourry; 4 (Mitte links), 26, 45: DLR / T. Bourry / ESA; 32: ESA; 5 (rechts), 28 (oben): ESA / NASA; 61 (Mitte Bild 2): fotolia; 76 (unten Mitte): G.RAU / MartinGlaunerBildkonzepte; 54: GEOlino; 61 (unten): HAVEit.; 81 (Mitte Bild 4): hs-international; 79: Husquarna; 5 (links), 34, 36, 40, 42 (Bild 2), 46 (unten Bild 3), 56 (unten rechts), 61 (Mitte Bild 3), 61 (Mitte Bild 4): Istock; 24, 28 (unten), 43 (oben), 44, 62 (unten), 73, 74, 75, 77, 78, 80, 82, 83 (Mitte), 83 (unten): Stefan Kruse; 15 (unten), 48 (unten): KUKA AG; 60 (unten rechts): Medical Futurist; 37, 48 (oben), 69: NASA; 27: noonee; 67 (Mitte): PAL Robotics S.L.; 16, 29, 30 (unten Bild 1), 42 (Bild 3), 42 (Bild 4), 43 (unten Bild 1), 43 (unten Bild 1), 49 (Bild 1), 49 (Bild 2), 49 (Bild 3), 52, 76 (unten rechts), 81 (Mitte Bild 1), 83 (oben): Pixabay; 68 (unten): Raymarine; 57 (unten): Roskosmos; 76 (unten links): Sebastian May / kunststoffe.de; 4 (unten), 30 (oben), 43 (unten Bild 3), 56 (unten links), 81 (oben): Shutterstock; 66 (links): Thüringer Museum für Elektrotechnik; 15 (oben), 48 (Mitte): Velleman; 46 (unten Bild 1), 60 (oben links), 60 (oben Mitte), 60 (unten links), 68 (oben), 70 (Mitte links), 81 (Mitte Bild 3), 81 (unten Bild 4): Wikimedia; 62 (oben rechts): Wikimedia / NASA; 81 (unten Bild 3): Petra Wöhner; 57 (oben): Daniel Zimbelius

Trotz unserer Bemühungen ist es uns nicht in jedem Fall gelungen, den Rechteinhaber um Abdruckerlaubnis zu bitten oder zu ermitteln. Sollten Sie Rechte an einem der abgedruckten Bilder geltend machen können, bitten wir Sie, mit uns Kontakt aufzunehmen ([email protected]).

Impressum

1. Auflage Dezember 2018

Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt. Jede Nutzung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fällen bedarf der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages. Hinweis § 52 a UrhG: Weder das Werk, noch seine Teile dürfen ohne eine solche Einwilligung eingescannt und in ein Netzwerk eingestellt werden. Dies gilt auch für Intranets von Schulen und sonstigen Bildungseinrichtungen. Fotomechanische oder andere Wiedergabeverfahren nur mit Genehmigung des Verlages.

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Herausgegeben vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und Klett MINT GmbH.© Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Bonn und Klett MINT GmbH, Stuttgart

Autoren: Dr. Stefan Kruse, Schwäbisch Gmünd; Daniel Zimbelius, ReichenbachRedaktion: Hanne Lier, Medienwerk Lier, StuttgartBeratung: Alexandra Herzog, Thilo Kaupisch, DLR Raumfahrtmanagement, BonnProjektkoordination und Herstellung: Petra Wöhner, Klett MINTGestaltung: Bettina Herrmann, StuttgartUmschlag: CD Werbeagentur GmbH, TroisdorfIllustrationen: Grafische Produktionen Jürgen Neumann, RimparDruck: M&E Druckhaus, Belm

Zugunsten einer leichteren Lesbarkeit wird in diesem Heft nicht immer ausdrücklich auch die weibliche Form genannt. Selbstverständlich sind aber immer weibliche und männliche Personen gemeint. Wir bitten für dieses Vorgehen um Ihr Verständnis.

RobotertechnikPhysik – Technik – Mathematik – Informatik

Arbeitsblätter und Lehrerinformationen für Sek I (Klassen 8 bis 10)

Dr. Stefan Kruse

Daniel Zimbelius

VORWORT 3

VORWORTAls mit Neil Armstrong 1969 der erste Mensch seinen Fuß auf den Mond setzte, war ein historischer Sprint der Wissenschaft ins Ziel gelangt. Technologien, die bis dahin nur wenige Forscher kannten und die nur für einen überschaubaren Kreis überhaupt vorstellbar waren, hatten einen Erfolg errungen, den niemand mehr übersehen konnte.

Das Echo der Mondlandung war auf der Erde der Siegeszug von Weltraumtechnologie in den Alltag. Ob Regelungstechnik in Haus-haltsgeräten, digitale Datenverarbeitung oder der Klettverschluss – die Ideen der Raumfahrt haben unseren Alltag nachhaltig verändert. Die Aufbruchsstimmung, die im Anschluss an die Mondlandung in Forschung, Bildung und öffentlichen Debatten aufkam, wäre aber ohne die emotionale Seite, die Faszination des Weltalls und die Vorbildwirkung der Helden im All, unmöglich gewesen. In Hoch-schulen, Schulen und sogar im Kindergarten rückten Wissenschaft und Technik in den Fokus – es galt, mitzureden und die Zukunft mitzugestalten.

Heute stehen wir erneut vor einer technischen Revolution, die aus dem Weltall auf die Erde schwappt: Roboter – autonome, häufig selbst entscheidende Geräte – werden unseren Alltag bestimmen. Egal ob fahrerlose Autos, selbstregulierende Energiesysteme oder elektronische „Pflegekräfte“ – viele Experten sagen voraus: Das 21. Jahr hundert wird jenes der Roboter.

Wieder ist die Raumfahrt Vorreiter, denn ohne Robotersysteme wären Missionen ins All schon seit Jahrzehnten undenkbar. So werden immer neue Technologien entwickelt, wie z. B. Cimon – ein autonom handelnder Astro nauten-Assistent. Dieser Roboter steht dem ESA-Astronaut Alexander Gerst bei seiner Mission „horizions“ auf der Internationalen Raumstation (ISS) zur Seite. Ausgestattet mit künstlicher Intelligenz unterstützt dieses „fliegende Gehirn“ die Astronauten bei der Arbeit und kann sogar mit ihnen agieren. Viele Systeme wie diese, die für den Einsatz im Weltall entwickelt wurden, finden in terrestrischen Robotern ihre Anwendung.

Die Roboter treten ihren Siegeszug allerdings lautlos an. Die Folge: Auch die öffentliche Diskussion und die Motivation für kluge Kopfe, auf diesem Feld mitzuwirken, sind schwächer als damals. Dabei wäre es notwendig, dass möglichst viele Menschen die Grund-lagen begreifen, mitarbeiten und Keimzellen für weitere Ideen der Roboter technik schaffen.

Diesen Anspruch hat dieses Arbeits- und Informationsheft, das in Kooperation mit Pädagogen entstanden ist. Sie arbeiten täglich mit Jugendlichen und wissen, wie man erklärt und nachhaltig Inter-esse weckt. Das Buch ist ganz bewusst kein Lexikon der großen Robotererfolge und auch keine Aneinanderreihung bloßer Fakten. Stattdessen soll es Lernenden und Interessierten den grundlegenden Zugang zur Robotertechnik ermöglichen – einfach, verständlich und faszinierend. Für Lehrkräfte bietet es Anregungen, mit einfachen Mitteln die Grundlagen der Robotertechnik aus Physik, Mathematik und Elektrotechnik zu vermitteln.

Als Raumfahrtmanagement im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. ist es uns wichtig, ein Bewusstsein zu schaffen für den Nutzen und die Bedeutung von Raumfahrt in unserem Alltag. Robotische Systeme, die für die Raumfahrt entwickelt werden, leisten auch wichtige Beiträge für uns auf der Erde. Entdecken Sie mit Ihrer Schulklasse, wie Roboter funktionieren und welchen Ein-fluss Sie auf unser Leben haben – im Weltall und auf der Erde.

Dr. Franziska ZeitlerDLR Raumfahrtmanagement

Abteilungsleitung Innovation & Neue Märkte

Wissenschaftliche Leitung der Schul- und Jugendprojekte

Alexandra HerzogDLR Raumfahrtmanagement

Abteilung Innovation & Neue Märkte

Koordinatorin der Schul- und Jugendprojekte

Thilo KaupischDLR Raumfahrtmanagement

Abteilung Technik für Raumfahrt-Systeme und Robotik

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

4

INHALTSVERZEICHNIS

Informationen für Lehrkräfte und Lösungen zu den Arbeitsblättern

Modul 1: Robotik-Systeme registrieren ihre Umwelt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Modul 2: Robotik-Systeme bewegen sich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

Modul 3: Robotik-Systeme handeln selbstständig . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

Modul 4: Robotik-Systeme erfüllen einen bestimmten Zweck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

Modul 5: Konstruktion und Bau eines Greifarms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

INHALTSVERZEICHNIS 5

Arbeitsblätter

Modul 1: Robotik-Systeme registrieren ihre Umwelt 1 Menschen und Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2 Ohne Elektrotechnik keine Roboter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3 Steuerungs- und Regelungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4 Sensoren erfassen Messwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

Modul 2: Robotik-Systeme bewegen sich 5 Ohne Mathematik geht nichts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 6 Die Natur und ihre Gesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 7 Bewegungen und Freiheitsgrade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 8 Aktoren wandeln Informationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 9 Mobile Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

Modul 3: Robotik-Systeme handeln selbstständig 10 Grundlagen der Maschinen- und Robotertechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 11 Funktionsweise von Mikrocontrollern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 12 Hohe Frequenzen für Roboter – die HF-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 13 Fernsteuerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 14 Autonome Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

Modul 4: Robotik-Systeme erfüllen einen bestimmten Zweck 15 Mensch-Maschine-Schnittstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 16 Roboter als Helfer im Alltag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 17 Roboter in extremen Situationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 18 Raumfahrt – heute und in der Zukunft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

Modul 5: Konstruktion und Bau eines Greifarms 19 Kreatives Konstruieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 20 Konstruktion und Produktion der Greifzange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 21 Konstruktion des mechanischen Gestellarms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 22 Planung und Programmierung der Robotersteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 23 Verdrahtung und Inbetriebnahme des Greifarms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

6

LEHRERSEITEN

Informationen für Lehrkräfte und Lösungen zu den Arbeitsblättern

Modul 1: Robotik-Systeme registrieren ihre Umwelt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Modul 2: Robotik-Systeme bewegen sich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10

Modul 3: Robotik-Systeme handeln selbstständig . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14

Modul 4: Robotik-Systeme erfüllen einen bestimmten Zweck . . . . . . . . . . . . . .18

Modul 5: Konstruktion und Bau eines Greifarms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21

Die Arbeitsblätter finden Sie für alle Module ab Seite 26.

MODUL 1: ROBOTIK-SYSTEME REGISTRIEREN IHRE UMWELT 7

Modul 1 Robotik-Systeme registrieren ihre Umwelt

Einführung in das Thema

Das vorliegende Arbeitsheft ist in fünf Module aufgeteilt:– Robotik-Systeme registrieren ihre Umwelt– Robotik-Systeme bewegen sich– Robotik-Systeme handeln selbstständig– Robotik-Systeme erfüllen einen bestimmten Zweck– Konstruktion und Bau eines Greifarms

Damit werden bereits durch die Gliederung des Heftes in den vier ersten Modulen die grundlegenden Eigenschaften von Ro-botik-Systemen verdeutlicht. Im fünften Modul werden die theo-retischen Inhalte umgesetzt in die praktische Durch dringung des Themas. Die Schülerinnen und Schüler (SuS) werden so Schritt für Schritt herangeführt an moderne, hoch komplexe, auto-nome Systeme, die als „Dienstleister“ für den Menschen von Menschen entwickelt werden: als Service-, Arbeits-, Rettungs-Roboter auf der Erde oder im Weltraum. Bei Bedarf können die Module – je nach Unterrichtssituation – auch einzeln behandelt werden.

Modul 1 „Robotik-Systeme registrieren ihre Umwelt“ schafft Grundlagen für ein frühes Verständnis von Roboter-Systemen und deren Erfassungsmöglichkeiten ihrer jeweiligen Umgebung. Dafür werden Kompetenzen im Bereich der Elektro-technik und Elektronik, der Steuerungs- und Regelungstechnik sowie der Sensorik vermittelt.

Infos zu den Arbeitsblättern

Arbeitsblatt 1 liefert Informationen und Denk- anstöße zur historischen Entwicklung der Zusammen-arbeit von Menschen und Maschinen bis hin zur vierten industriellen Revolution.

Arbeitsblatt 2 behandelt Grundlagen der Elektro- und Informationstechnik und die grundlegenden Bauteile der Elektro-technik, welche im fünften Modul bei der Konstruktion eines Roboter arms benötigt werden.

Arbeitsblatt 3 differenziert zwischen den Begriffen der Steuerungs- und Regelungstechnik.

Arbeitsblatt 4 zeigt auf, wie Robotik-Systeme ihre Umwelt registrieren, was die notwendige Basis für das Verständnis moderner Sensorsysteme bildet.

MEDIEN

Für die Darstellung der elektro-technischen Bauteile empfiehlt sich der Zugriff auf ein geeignetes Simulations-programm. In diesem Heft wurde bei-spielhaft mit der Software Yenka® gear-beitet. Sie kann unter www.yenka.com kostenfrei als Heimlizenz geladen werden (freie Nutzung im Heimbereich ab 15:00 Uhr, auch Schullizenzen in Kombination mit anderen Fächern des MINT-Bereichs sind möglich).

Methodische Vorgehensweise

Die Arbeitsblätter in Modul 1 bilden die Grundlage für die folgen-den Module und sollten, abgestimmt auf das Vorwissen und den geplanten Unterrichtsverlauf, möglichst nacheinander behandelt werden. Je nach Vorwissen der Schülerinnen und Schüler (SuS) kann dies unterschiedlich viel Zeit in Anspruch nehmen. Bei der Umsetzung empfehlen sich die Sozialformen Einzel- sowie Partner-arbeit. An ausgewiesenen Stellen wird eine Gruppendiskussion vorgeschlagen. Bei der Erarbeitung der Bauteile der Elektrotechnik hat sich eine kurze Präsentation durch die SuS bewährt.

8 LÖSUNGEN

1 Menschen und Maschinen1. Werkzeug. Sinn und Zweck: Die Funktionen des eigenen Körpers können dadurch erweitert werden. Werkzeuge ergänzen und verbessern die körperlichen Fähigkeiten. Beispiele: Hammer, Säge, Lineal, Pflug …Maschine. Sinn und Zweck: Entlastung von schwieriger, gefähr-licher oder immer wiederkehrender körperlicher und geistiger Arbeit. Beispiele: Bohrmaschine, Computer, Motor …

2. a) menschliche Handlungen: flexibel und schnell an veränderte Situationen anpassbar, schnell sind feine und komplexe Handgriffe umsetzbar, Einbringen von individuellen und emotionalen Aspekten ist möglich, Entwicklung von Prozesswissen, Erfahrungen rasch umsetzbar …maschinelle Handlungen: sehr präzise, immer gleiche Qualität, ermöglichen hohe Stückzahlen, schwere, gefährliche und monotone Arbeiten ohne menschlichen Einsatz, Arbeit rund um die Uhr mög-lich, keine Ermüdungserscheinungen …b) Mögliche Erkenntnisse: Was nützt die Massenproduk tion von Gütern, wenn es dafür keine oder nicht genügend Käufer /Käufe-rinnen gibt? Was passiert mit den Arbeitenden, die in den Fabriken überflüssig werden? Welche Auswirkungen haben die Entwicklun-gen von Industrie 4.0 auf die arbeitende Bevölkerung?

3. Technische Hilfsmittel, sogenannte Exoskelette, erleichtern die Arbeit. Durch den Einsatz eines flexiblen Roboterstuhles oder eines Exoskeletts wird die Ergonomie bei Montagetätigkeiten verbessert,

bei denen Mitarbeiter in ungünstigen Positionen oder mit schweren Maschinen arbeiten müssen.

4. Robotik-Ingenieur: Roboter werden zunehmend tiefer in alle Bereiche des Arbeitslebens eindringen, z. B. in Supermärkten, an Rezeptionen oder in der Medizin. Robotik-Ingenieure müssen diese sensorgesteuerten, interaktiven Systeme entwickeln und program-mieren. Kenntnisse u. a. in Maschinenbau, E-Technik, Steuerungs- und Automatisierungstechnik sind nötig.Luft- und Raumfahrttechnik: In Luft- und Raumfahrtzentren arbeiten Ingenieure an der Entwicklung und Verbesserung von Flugzeugen, Satelliten und Weltraumfahrzeugen. Diese Systeme werden zunehmend autonomer agieren. Kenntnisse in E-Technik, Maschinenbau, Werkstoffkunde, Messtechnik sowie allgemein in Physik und Mathematik werden dafür benötigt. eSports-Management: Die Computerspiele-Branche entwickelt sich rasant weiter. So werden z. B. im eSport-Segment (Electronic Sports) bereits viele Spiele als Live-Events vor tausenden Zuschauern in Fußballstadien übertragen. Projektmanager im eSports-Bereich organisieren eine Vielzahl von vernetzten Events und Aktivitäten.Softwareentwicklung: Um immer mehr Lebensbereiche in die digitale Welt zu integrieren, benötigt der stark wachsende Sektor Softwareentwickler. Diese konzipieren, entwickeln oder program-mieren Software für die unterschiedlichsten Anwendungsbereiche. Insbesondere die Digitalisierung von Produkten für virtuelle und augmented Reality wird immer wichtiger.

2 Ohne Elektrotechnik keine Roboter1. Eingabe: Schalter, Taster, Wechselschalter, Thermistor, Foto-widerstand, Reedkontakt, Mikrofon. Verarbeitung: Elektrolytkon-densator, Diode, Widerstand, regelbarer Widerstand, Kondensator, Trimmpotenziometer, Transistor, Relais. Ausgabe: Elektromotor,

Glühlampe, Leuchtdiode, Messgerät, Summer, Lautsprecher. Sonstige: Spannungsquelle, Batterie, Masse, Sicherung, Leitungen mit und ohne Verbindung.Eine tabellarische Darstellung könnte wie folgt aussehen:

EVA Bauteil Funktion Schaltzeichen

E Schalter schließt beim Betätigen und bleibt geschlossen

E Taster durch Tasten schließt der Schalter, bleibt nicht geschlossen

Abbildungen und Beschreibungen von Schaltzeichen für Elektrik / Elektronik finden Sie in entsprechenden Tabellenbüchern oder beispielsweise unter https://space2school.de/schaltzeichen

2. a) Betätigt man den Schalter, blitzt die LED kurz auf und ist zerstört!b) Es fehlt der Schritt der Verarbeitung, d. h. der Reduzierung der Spannung vor der LED. In den Stromkreis muss ein Vorwiderstand eingebaut werden. Berechnung des Vorwiderstands: Uges = UR + ULED; UR = 6,8 V; ULED = R · I; R = 340 Ω.

3. a) Verdrahtungsplan b) Schaltplan

4. a) Eine Transistorschaltung besteht aus zwei Stromkreisen: dem Steuer- und dem Arbeitsstromkreis. Steigt im Steuerstromkreis zwischen der Basis und dem Emitter die Spannung über 0,7 V, schaltet der Transistor durch und im Arbeitsstromkreis fließt Strom. Liegen weniger als 0,7 V an, sperrt der Transistor.

c) Stromlaufplan

+

–

MODUL 1: ROBOTIK-SYSTEME REGISTRIEREN IHRE UMWELT 9

3 Steuerungs- und Regelungstechnik1. (1) Steuerungen (2) Regelungen

2. a) Steuerungen: Einschalten der Zimmerbeleuchtung, Betätigen einer elektrischen Markise, Betätigen der Haustürklingel …Regelungen: Klimaautomatik in einem Gebäude oder Auto, Hellig-keitsanpassung eines Smartphones, Toilettenspülung, Spannungsre-gelung im Netzgerät …b) In der Reihenfolge von links nach rechts: S – S – R – R – S

3. Steuerung. Vorteile: kostengünstig, von Hand bedienbar, einfache Schalter und Aktoren. Nachteile: keine Rückmeldung vom System, schlechter Abgleich von Soll- und Ist-Werten.Regelung. Vorteile: genauer Abgleich von Soll- und Ist-Werten, automatisiertes Schalten. Nachteile: meist aufwändige Elektronik notwendig, teure Sensoren und Aktoren.

4.

5.

6. 1) Steuerung eines Fahrzeugblinkers; 2) Steuerung einer Klimaanlage; 3) Antriebsregelung des Motors in einem Elektrofahrzeug

Tageslicht LampenlichtWiderstände R1, RF und Transistor T

Transistor T Lampe

Widerstands-wert

Raum- temperatur

Transistor Relais Innenraum

Außen temperatur

Thermistor mit einstellbarem Widerstand R1

4 Sensoren erfassen Messwerte1. Temperatur, Helligkeit, Schall, Druck, Beschleunigung, Feuchtigkeit, pH-Wert, Ionenkonzentration, elektrisches Potenzial …

2. Eigenschaften Temperatur Helligkeit Schall Druck

Funktionsbezeichnung Wärmesensor optischer Sensor akustischer Sensor Drucksensor

Biologie Haut Auge Ohr Hand und Haut

Technik Thermistor Fotowiderstand Mikrofon Schalter

praktische Anwendung Temperatur überwachung in einem Motor

Einschalten der Beleuch-tung bei Dunkelheit

Sprachsteuerung eines Roboters

Erfassen der Kraft eines Greifarms

3. Menschen haben keine Sinnesorgane für Magnetfelder, Radio-wellen, Radioaktivität, Ultraschall, Spannung, Strom, Zeit. – Senso-ren für Magnetfelder oder Induktivitäten heißen Reedkontakt oder Hallsensor. Sie können bei der Bestimmung der Umdrehungszahl bei Wellen und Rädern (z. B. zur Erfassung der Position eines Greifarms) eingesetzt werden.

4. a) Funktionsprinzip (doppelte Linie), Reihenfolge von links oben in Schreibrichtung nach rechts unten: f – a – e – c – d – b Einsatzbereich (gepunktete Linie), Reihenfolge von links oben in Schreibrichtung nach rechts unten: e – a – c – b – d – f

5.

6. Lidar: Überwachung von Bewegungen anderer Fahrzeuge und Auslösen einer Notbremsfunktion.Radar: Erkennen und Überwachen von lebenden Personen und deren Körperbewegungen.

10

01

11

00

10

0..

.

Analog-/Digital-Wandler

Verstärker

horizontaler Schiebespeicher

vertikaler Schiebespeicher

einzelne Pixel / Fotodioden

10 LÖSUNGEN

Modul 2 Robotik-Systeme bewegen sich


„Robotik-Systeme bewegen sich“ ermöglicht einen Einblick in grundlegende Funktionen, Komponenten und Bewegungsmög-lichkeiten von Robotern. Für den Betrachter wird eine Maschine erst dann zu einem Roboter, wenn sie sich bewegt – möglichst autark und situationsangepasst. Ein sich bewegendes System ist jedoch äußerst komplex und technisch heraus fordernd. Grundlagen hierbei sind physikalische Gesetze, verschiedene Bewegungsrichtungen und -möglichkeiten und Einflüsse der Umgebung. Viele Komponenten müssen ineinandergreifen, da-mit ein Roboter sich bewegen kann. Für einfache Bewegungen reichen einfache Gelenke, die sich mittels Getriebe und Motoren steuern lassen; für aufwendigere Bewegungen müssen mehrere Gelenke durch Servos angesteuert werden. Konnten früher stati-onäre Roboter oft nur einfache, vor programmierte Bewegungs-abläufe leisten, baut man heute vollständig autonome Systeme.


Der Schwerpunkt des Moduls liegt in der Vermittlung von mechanisch ausgeführten Bewegungen. Dabei werden mathematisch-naturwissenschaftliche Grundlagen und technische Zusammenhänge der Getriebelehre als Basis für die spätere Konstruktionsaufgabe benötigt.

Arbeitsblatt 5 behandelt die Grundlagen der Mathematik, auf der die Steuerung von Bewegungen beruht.

Arbeitsblatt 6 stellt in einer kompakten Wiederholung physika-lischen Grundlagenwissens Beschleunigung, Gewichtskraft und Magnetismus im Kontext der Robotertechnik vor.

In Arbeitsblatt 7 geht es um Freiheitsgrade, Gelenke und Kinematiken.

Arbeitsblatt 8 behandelt Aktoren mit dem Schwerpunkt Servo motor als Aktor für die Umsetzung von Informationen in Bewegungen.

Arbeitsblatt 9 führt zum Abschluss dieses Moduls in die Welt sich bewegender Roboter ein. Es geht vor allem darum, wie sich auto-nome technische Syteme orientieren.

MEDIEN

Bei der Umsetzung der mathematischen Themen eignet sich der Einsatz von Software, mit deren Hilfe die Koordinatensysteme dargestellt werden können. Die Programme „Geometry Pad“ oder „Cabri Geometre“ haben sich beispielsweise als hilfreich erwiesen. Die Thematik der Freiheitsgrade eines Systems kann mit geeigneten Video-sequenzen aus dem Internet dargestellt werden.

Wie die Sensoren (AB 4) sollten auch die Aktoren immer anhand von konkret vor-liegenden Komponenten erörtert werden. Es empfiehlt sich, die Bauteile von den SuS möglichst verdrahten und testen zu lassen. Für die Getriebe lehre in AB 7 sollten einfache Zahnradsätze genutzt werden. Gerade mechanische Themen stellungen werden nachhaltiger verinnerlicht, wenn praktische Übungen durchgeführt werden können. Das Programm Yenka® verfügt über ein geeignetes Simulations modul von Zahnradgetrieben.


Die Arbeitsblätter sind unabhängig voneinander einsetzbar. Ein tiefe-res Verständnis für die Komplexität der realen Programmierung von Roboter-Systemen wird erreicht, indem die Grundlagen-Arbeitsblätter 5, 6 und 7 in dieser Reihenfolge im Unterricht bearbeitet werden. Arbeitsblatt 9 erfordert weniger Vorkenntnisse. In Kombination mit einer Internetrecherche kann dieses Thema gut auch in Eigenarbeit von den Schülerinnen und Schülern (SuS) bearbeitet werden.

MODUL 2: ROBOTIK-SYSTEME BEWEGEN SICH 11

5 Ohne Mathematik geht nichts1. a) Schülerindividuelle Antwort. Beispiele: Kartesisches Koordi-natensystem in der Schulmathematik, Ortskoordinaten (GPS-System) im Spiel „Schiffe versenken“b) siehe Abb. rechts

2. Beim Umstellen der Maschine müssen nicht alle Befehle neu programmiert werden, sondern nur die Koordinatensysteme ange-passt werden. In bestimmten Koordinatensystemen sind bestimmte Bewegungen leichter zu programmieren.

3. a) bis f) siehe Abb. rechtsc) Die Pfeile (Verbindungslinien) sind gleich lang und parallel.d) Man addiert 2 zur 5 und 1 zur 2 neue Position (7/3)e) Springer (– 2 / 5)f) Die Regel lautet: x’ = – y und y’ = x; Dame (– 3 / 2), Turm (– 4 / 1), Springer (– 2 / 5)

4. a) Translation um 5 in x- und 4 in y-Richtung, Rotation um 30°b) P’(1 / 2)c) Formel: x’ = x · cos (30°) – y · sin (30°); y’ = x · sin (30°) + y · cos (30°); P’(4,87 / 6,23)d) Mit der obigen Formel werden zunächst die gedrehten Koordi-naten berechnet und dann mit 5 bzw. 4 addiert.

e) Translation: (x‘) = (x + 5), Rotation: ( x‘) =

√3

2x · – y · 0,5√3

2x · 0,5 + y ·( ) y‘ y + 4 y‘

zu 1.b

zu 3. a) bis f)

*

6 Die Natur und ihre Gesetze1. a) Auf dem Mars erfährt Curiosity nur das 0,373-fache der Anziehungskraft der Erde. Das entspricht einem Gewicht von ca. 336 kg.b) Durch die geringere Gewichtskraft reicht der Druck auf den Bohrer nicht aus.c) Ja. Gewichtskraft = Masse · Ortsfaktor, die Beschleunigungskraft = Masse · Beschleunigung. Die Kräfte haben die gleiche Einheit (nämlich Newton = (kg · m) / s2), also müssen auch Ortsfaktor und Beschleunigung die gleiche Einheit haben. Der Ortsfaktor ist ein Spezialfall der Beschleunigung.

2. a) 6 · 9,81 m

= 58,86 m

s2 s2

b) F = m · 58,86 m

(bei z. B. 60 kg entspricht dies 3531,6 N)

s2

c) Beispielhafte Lösung: Nein, bei dieser Beschleunigung wird das Blut aus dem Kopf gepresst und man wird nach einigen Sekunden bewusstlos.

3. In den Fällen a), b), sowie c) und e) liegt eine beschleunigte Bewegung vor. Die Geschwindigkeit ändert sich hierbei in Richtung und / oder Betrag. Bei c) handelt es sich um eine negative Beschleu-nigung (Verzögerung).

4. a) Nein, sie müssen aber magnetisierbar sein.b) Mithilfe von ferromagnetischen Stoffen, z. B. einem Hohlkörper aus Eisen.c) Die Verwendung eines Elektromagneten.

7 Bewegungen und Freiheitsgrade1. a) Schülerindividuelle Lösungen.b) Je 1 Freiheitsgrad: Scharnier, Pendel einer Standuhr, Finger-endgelenk, Zug; 2 Freiheitsgrade: Ring am Finger; 3 Freiheits-grade: Kugelgelenk; 6 Freiheitsgrade: Raketec) Schülerindividuelle Antwort; beispielsweise: 1 Freiheitsgrad: Scharniere, Drehgelenke; 3 Freiheitsgrade: alle Kugellagerungen; 6 Freiheitsgrade: alle starren Körper

d) Wasser in eine Flasche abfüllt: mind. 5 Freiheitsgrade: drei zur Flasche, einen zum Greifen, einen zum Kippen. – Schweißpunkte bei einer Autokarosserie setzt: 6 Freiheitsgrade: drei zum Bewe-gen und drei zum Drehen. – Gegenstände greifen und an einem anderen Ort ablegen kann: mind. 4 Freiheitsgrade: drei zum Bewegen, einen zum Greifene) Ein Mensch hat weit über 30 Freiheitsgrade (Arme, Beine, Hüfte, Hals, Finger …)

RobRoot-koordinaten

Werkzeug- koordinaten

Werkstück- koordinatenWelt-

koordinaten

12 LÖSUNGEN

10 ms 20 ms 30 ms 40 ms

0°

90°

180°

1 ms

1,5 ms

2 ms

Der Begriff „Freiheitsgrade“ wird teils unterschiedlich interpretiert. Hier verstehen wir darunter die Anzahl der unterschiedlichen Bewe-gungsmöglichkeiten eines Objektes. Für starre Objekte sind das in der Regel drei translatorische und drei rotatorische Freiheitsgrade. Hin-zu kommen ggf. noch Freiheitsgrade der Schwingung. Üblicherweise addiert man bei Mehrgelenkobjekten die einzelnen Freiheits grade, sodass ein Objekt sieben oder mehr Freiheitsgrade haben kann.

8 Aktoren wandeln Informationen1. (Aktor Anwendung). Servo Servo in der Lenkung eines Modellautos; Lautsprecher Lautsprecher in der Stereoanlage; Lampe Deckenbeleuchtung; Elektromotor Motor in einer Brotschneidemaschine

2. Gerät: Display, optischer Aktor, … sendet nach Steuerung durch elektrische Energie Licht aus. Dies wird für die Beleuchtung z. B. bei Scheinwerfern oder in der optischen Übertragungstechnik in Displays genutzt. Gerät: Türklingel, magnetischer Aktor, … nutzt die Bewegungsänderung von magnetischen Materialien in Magnet-feldern. Dadurch können Bewegungen z. B. über eine Membran in einem Lautsprecher erzeugt werden. Gerät: Bewegungsmelder, optischer Aktor.

3. a) Ein Servo ist winkelgeregelt bzw. positionsgeregelt. Er kann anhand seines Eingangssignals eine bestimmte Winkelposition an-fahren, selbstständig stoppen und diese halten. Eingesetzt werden Servos dort, wo klar definierte Positionen benötigt werden.b) Der schwarze Anschluss ist für die Masse (GND), der rote für die Versorgung (VCC), und der gelbe für die Signalleitung (PWM).c) PWM steht für Pulsweitenmodulation. Über die zeitliche Breite der Pulse wird der Winkel, auf den der Servoarm gestellt werden soll, gesteuert.

4.

2. a) siehe Abb. rechtsb) Hüftgelenk, Schultergelenk Kugelgelenk. – Ellenbogengelenk, Kniegelenk Scharniergelenk. – Fußgelenk, Handgelenk Dreh-scharniergelenk.c) Gelenke für translatorische Verschiebung, Schiebe- oder Schub-gelenke

3. a) siehe Abb. rechtsb) Drehen um 360°? Kettengetriebe oder Zahnradgetriebe – Greifen eines Gegenstandes? Zahnradgetriebe oder Reibrad getriebe – Vor- und Zurückfahren auf einer Schiene? Schneckenradgetriebe oder Stirnradgetriebe oder Zahnstangengetriebe

4. a) Serielle Kinematik: leicht zu konstruieren, jeder Antrieb be-wegt nur ein Element. – Parallelkinematik: hohe Dynamik, geringe Masse der Führungselemente.b) 1 und 4 sind Parallelkinematiken, 2 und 3 sind serielle Kine-matiken.c) Weltraumfangarm: seriell, Platz ist vorhanden, Kraft wird be-nötigt. – Leiterbahnen für Platinen: seriell, da einfache 2-D-Tätig-keit. – Weltraumteleskop: parallel, hochpräzise Arbeit, schwere Last, viele Freiheitsgrade notwendig.d) Sechs Freiheitsgrade der Bewegung, wegen der sechs Antriebs-systeme extreme Genauigkeiten im Mikrometerbereich möglich, kompakte Bauform (ein Schwenkarm könnte Ärzte verletzen)

zu 2.a

zu 3.a

planes Gelenk Scharniergelenk Rad- und Zapfengelenk Kugelgelenk

Antriebskurbel

Kettengetriebe

RiemengetriebeZahnradgetriebe

Schneckengetriebe

ZahnstangengetriebeKegelradgetriebe Reibradgetriebe

MODUL 2: ROBOTIK-SYSTEME BEWEGEN SICH 13

Vergleicher

Elektronik Mechanik

GetriebeVerstärker Motor Servoarm

Potenziometer

PWM-Eingang

Raum 1

Raum 2

Raum 3

Raum 1

Raum 2

Raum 3

9 Mobile Systeme1. a) Transportaufgaben; Krankenhaus; Büro (Post, Dokumente); Reinigungsaufgaben; Spezialroboter (reinigen, untersuchen von Kanälen, nach Atomunfällen aufräumen); Forschungsroboter (auf Planeten, in der Tiefsee); Militär (Drohnen, Bomben sprengen); Fahrzeuge (autonomes Fahren).b) Gemeinsamkeiten: Fortbewegungsmöglichkeiten, Sensoren zur Orientierung, spezialisiert auf bestimmte Aufgaben. Unterschiede: unterschiedliche Sensoren und Aktoren, unterschiedliche Fortbewe-gungsmöglichkeiten (Räder, Ketten, Beine).

2. Schülerindividuelle Lösungen.

3. a) Weltmodellierung: Die Umwelt wird durch Sensoren regist-riert. Ein Weltbild wird erstellt und der beste Weg wird anschließend abgefahren. Bsp: Staubsaugerroboter.Verhaltensprogrammierung: Programmiert wird ein Verhalten, das eine Reaktion auf entsprechende Sensorwerte darstellt. Bsp.: Mähroboter.

b)

c)

Weltmodellierung

Verhaltensprogrammierung

Bei der Weltmodellierung muss an jedem „Knick“ eine neue Welt erstellt werden. Bei der Verhaltensprogrammierung könnte sich der Roboter ggf. im kleinen Raum 1 sehr lange aufhalten. Deswegen ist die Weltmodellierung vorzuziehen.

Entf

ernu

ng

Winkel

Hindernis

Hindernis

Öffnung

geplante Bahn

Hindernis

5.

14 LÖSUNGEN

Modul 3 Robotik-Systeme handeln selbstständig


Erst durch intelligentes Programmieren und Steuern wird das Zusammen arbeiten von Sensoren und Aktoren einer Maschine zu einem Roboter. Der Weg von der einfachen Maschine hin zum intelligenten Roboter wird in diesem Modul abgebildet. Es beginnt mit den entscheidenden Komponenten und Größen einer Maschine, die die körperliche Arbeit des Menschen übernimmt. Das Herzstück eines Roboters ist in einfachen Ausführungen der Mikrocontroller, bei komplexeren Robotern sind es ganze Computersysteme. Dieses Modul beschränkt sich auf die genauere Betrachtung eines Mikrocontrollers und dessen Funktionsweise.

Die häufigste Übertragung der Signale zur Kommunikation zwischen Robotern und Menschen funktioniert über Fern-steuerungen mittels Funksignalen. Es gibt aber auch neuere Steuerungsmöglichkeiten, vom Exoskelett bis hin zur Steuerung über Gedanken. Ein moderner Roboter wird zu einer Maschine entwickelt, die gar nicht mehr gesteuert werden muss, sondern autonom auf ihre sich wechselnde Umwelt reagiert und angemessen agiert.


Arbeitsblatt 10 bildet die Grundlage für die Maschinen technik. Das EVA-Prinzip wird anhand eines Roboterarms wiederholend vorgestellt und die verschiedenen Funktions elemente einer Maschine werden erläutert.

Arbeitsblatt 11 ist eine Einführung in die Grundlagen eines Mikro-controllers am Beispiel des Arduino; die meisten Aufgaben lassen sich jedoch auch mit anderen Mikrocontrollern, z. B. dem System Calliope oder dem Raspberry Pi, bearbeiten.

Arbeitsblatt 12 behandelt die Funktionsweise von HF-Sendern und -Empfängern sowie den Aufbau eines HF-Signals. Hinweis: In Aufgabe 1 geht es nicht darum, Schwingkreis, Genera-tor oder Verstärker zu verstehen. Sie stehen als Blackbox, die jeweils eine bestimmte Aufgabe erfüllen.

Arbeitsblatt 13 setzt den Schwerpunkt bei verschiedenen Fern-steuerungen eines Roboters bis hin zu zukünftigen technischen Anwendungen der Robotertechnik (Telepräsenz und Steuerungen über spezielle Mensch-Maschine-Schnittstellen).

Arbeitsblatt 14 stellt die Stufen autonomen Fahrens sowie ver-schiedene andere autonome Systeme vor. Rechtliche und ethische Fragen werden diskutiert.

MEDIEN

Wie man Motor-Shields am Arduino ansteuert, finden Sie unter https://space2school.de/schrittmotoren

Weitere Ideen für Projekte mit einem Mikrocontroller finden Sie unter https://space2school.de/mikrocontroller

Auf YouTube gibt es sehr viele Tutorials zur Programmierung von Mikrocontrollern, auch auf deutsch.


Die Arbeitsblätter sind unabhängig voneinander einsetzbar. Je nach Vorwissen der Schülerinnen und Schüler (SuS) kann dies unterschiedlich viel Zeit in Anspruch nehmen. Bei der Umsetzung empfehlen sich die Sozialformen Einzel- sowie Partnerarbeit. Die praktischen Aufgaben zur Mikrocontroller-Programmierung sollten bei vorhandener Zeit möglichst umgesetzt werden. An einzelne Rechercheaufgaben lassen sich sinnvoll Gruppendiskussionen anschließen.

MODUL 3: ROBOTIK-SYSTEME HANDELN SELBSTSTÄNDIG 15

10 Grundlagen der Maschinen- und Robotertechnik1. a)

b)

2. a) Weiterleiten von Rotationsenergie vom Antrieb zum Abtrieb, Wandlung von Drehmoment, Wandlung von Drehzahl, Wandlung von Drehrichtungen.b) Reihenfolge immer: Getriebeart – Getriebeeigenschaften – Beispiel.Zahnrad- oder Reibradgetriebe – Kräfte werden durch zwei oder mehr Räder übertragen – Bohrmaschine. Ketten- oder Riemen getriebe – Kräfte werden durch ein Zugmittel übertragen – Fahrradantrieb. Druckmittelgetriebe – Kräfte werden durch ein Druckmittel (Luft, Öl) übertragen – Baggerarm. Gelenkgetriebe – Kräfte werden durch mechanisch verbundene Bauteile übertragen – Kolbentrieb im Verbrennungsmotor. Kurvengetriebe – Kräfte werden über Nocken übertragen – Nockenwelle. Schrauben-getriebe – Kräfte werden durch Schrauben oder Schnecken über-tragen – Wagenheber.

3. Bohrmaschine: Zahnradgetriebe; kompakt, robust, wartungs-arm, laut. Fahrrad: Kettengetriebe; großer Achsabstand möglich, robust, wartungsarm. Baggerarm: Druckmittelgetriebe; hohe Übersetzung möglich, große Kraftübertragung, evtl. schädliche Abfallstoffe. Wagenheber: Schraubengetriebe; hohe Übersetzung möglich, leise, selbsthemmend.

4. (1) Getriebewelle – verbindet Getriebeteile / Zahnräder. (2) Ge-lenkwelle (Kardanwelle) – überträgt Kräfte / Drehmomente bei nicht-fluchtenden Achsen. (3) Profilwelle (Formwelle) – überträgt ohne Schlupf große Kräfte. (4) Kurbelwelle – überträgt Hin- und Her-bewegungen in eine Kreisbewegung. (5) Biegsame Welle – erlaubt Umlenkungen der Drehkraft (Tachowelle).

5. a)

b) A: Z 2 dreht langsamer als Z 1, das Drehmoment der Welle von Z 2 ist größer als Z 1. – B: Z 4 dreht schneller als das Z 3, das Drehmo-ment der Welle von Z 4 wird kleiner. – C: Z 5 und Z 7 drehen gleich schnell, das Drehmoment beider Wellen bleibt gleich.

6. a) Drehmomente: M1 = 50 Nm, M2 = 25 Nmb) Vergrößert sich der Durchmesser (und damit der Radius) des Zahnrads, dann vergrößert sich auch das Drehmoment und umge-kehrt.

11 Funktionsweise von Mikrocontrollern1. a) Im Mikroprozessor ist nur die CPU (zentrale Recheneinheit) enthalten, im Controller noch die notwendige Peripherie wie Spei-cher, Timer …b) Vorteile: geringer Stromverbrauch, viel kleiner und kompakter, spezialisiert auf eine Aufgabe, preisgünstiger. Nachteile: kleinere Taktung (MHz statt GHz), weniger RAM (KB statt GB), führt oft nur eine Aufgabe gleichzeitig aus, bei Defekt kompletter Austausch, kein Betriebssystem.

2. Reihenfolge immer: Bauteil (Aufgaben). – CPU (Zentrale Rechen-einheit, führt Berechnungen und logische Operationen durch). – Speicher (enthält das Programm und Daten). – Interruptcontroller (reagiert auf externe und interne Ereignisse und meldet diese dem Programm). – Watchdog (Programm zum gezielten Reset, wenn das Hauptprogramm sich aufgehängt hat). – Eingänge (Anbinden externer Peripherie). – Ausgänge (Steuern von Verbrauchern). – Timer (Funktionsmodul zum Messen von Zeiten und Zählen von Ereignissen). – PWM (Pulsweitenmodulation zur Erzeugung eines analogen Ausgangssignals). – AD-Wandler (analoge Eingangswerte werden in digitale Zahlenwerte gewandelt). – Unterschiede in der Taktung (Arbeitsgeschwindigkeit) des Prozessors, in der Möglich-keit der Parallelverarbeitung (bis 64 Bit), in der Art und Größe des Speichers und in der Programmiersprache.

A B C

Z 1Z 2 Z 3

Z 4Z 5

Z 6

Z 7

Verarbeitungmögliche Steuerungsbauteile:Wandler, Strombegrenzer, Transistoren, Relais, Widerstände …

Eingabemögliche Sensoren:Schalter, Taster, Kameras …

Ausgabemögliche Aktoren:Motoren, Servos, Lampen …

SicherheitsteilKabelschutz

SteuerteilFernbedienung

ArbeitsteilFräser

TrägerteilGehäuse

AntriebsteilMotor

Übertragungssteilbeweglicher Arm

16 LÖSUNGEN

3. a)

b) Schülerindividuelle Lösungen.

4. a) Bauteile: Arduino, Ultraschall-Distanzsensor, Motor-Shield (für die Ansteuerung von Elektromotoren), Autobausatz, Bumper-Sensor, LED – PINS: (z. B.) 2 und 11 für Motor 1, 5 und 6 für Motor 2, Sensor: 12 und 13, Bumper 3 – Ablaufplan: Motoren erhalten Wert für das Fahren Wenn Bumper aktiv Motoren bleiben stehen und LED geht anb) Bauteile: Arduino, Temperatursensor, Display, Lüfter (z. B. alter PC-Lüfter) – PINS: Temperatursensor 2 (zusätzlich 5 V und GND), Display (z. B.) 4 – 8 und 13, Lüfter 9 (zusätzlich Strom) – Ablaufplan:

Sensor sendet Signal Signal auswerten und an Display senden wenn Signalwert größer als unterer Grenzwert und kleiner als

oberer Grenzwert: Lüfter einschalten, ansonsten nichtc) Bauteile: Arduino, Foto-Widerstände (2 Stück), Motor-Shield, Autobausatz – PINS: (z. B.) 2 und 11 für Motor 1, 5 und 6 für Motor 2, Foto-Widerstände: 0 und 1 (links und rechts) – Ablauf-plan: Motoren erhalten Wert für das Fahren beide Sensor werte abrufen wenn linker Sensorwert größer, dann linken Motor drosseln, ansonsten rechten drosseln Sensorwerte auswerten wenn Sensorwerte größer als Grenzwert, beide Motoren drosseln, ansonsten Motorwerte belassen wiederholen

12 Hohe Frequenzen für Roboter – die HF-Technik1. a) Richtige Reihenfolge: 4 – 2 – 5 – 3 – 1 b) (1) Die Antenne empfängt die elektromagnetische Welle. (2) Der Schwingkreis schwingt entsprechend der empfangenen Schwingung. (3) Die hochfrequente Schwingung wird von der nieder frequenten Informationsschwingung getrennt (Demodulati-on). (4) Die Informationsschwingung wird verstärkt und auf einen Lautsprecher übertragen.

2. Schülerindividuelle Lösungen. Eine Bauanleitung steht unter https://space2school.de/PapprollenRadio

3.

4. a) Es gibt rund 13 verschiedene Bänder. Die bekanntesten sind Langwellen (30 – 300 kHz) für Langwellenrundfunk und Funkuhren; Mittelwellen (0,3 – 3 MHz) für Mittelwellenrundfunk, Amateurfunk und militärischen Funk; Kurzwellen (3 – 30 MHz) für Kurzwellenrund-funk, RFID; Ultrakurzwellen (30 – 300 MHz) für UKW-Radio, Flug-funk, Radar; das UHF-Band (0,3 – 3 GHz) für Mikrowellen, WLAN, Bluetooth, DVB-T, DAB+; Zentimeterwellen (3 – 30 GHz) für Radar, Satellitenfunk, EPR.b) Die Bänder haben unterschiedliche physikalische Eigenschaften. MW kann weit gesendet werden, hat aber eine schlechte Qualität. FM und AM sind verschiedene Modulationsarten der Wellen. AM ist Amplituden-Modulation (einfach), während FM Frequenz-Modulati-on (aufwendiger, bessere Tonqualität) bedeutet.c) In Deutschland sind das 890 – 960 MHz (GSM) sowie 1920 – 2170 MHz (UMTS)

5. v = s s = v · t

t

Lichtgeschwindigkeit in Luft angenommen mit 299 705,518 km/s

s = 299705518 m

· 0,000001981 s = 593,42 m

s

Da die Zeit für den Hin- und Rückweg gilt, ist der Gegenstand ca. 296,71 m entfernt.

Am

plitu

de

ZeitZeit

Am

plitu

deA

mpl

itude

Zeit

„Digital“-Pins (insgesamt 14 Stück)• Signal-Eingänge für digitale Sensoren (5 V)• Signal-Ausgänge für digitale Schaltungen (5 V)• Pins mit Tilde-Zeichen: PWM-Modulation möglich

I 2C-Pins (SCL und SDA)• Serielle Datenausgabe

(u. a. für LCD-Displays)

Reset-Button:• Neustart des Arduions

USB-Anschluss:• Stromversorgung• Upload von Programmen• Serielle Datenübertragung

Hohlbuchse:• Externe Stromversorgung (min 7 bis max 12 V)• Für Hohlstecker mit 5,5 mm Außen- und 2,1 mm

Innendurchmesser• nur nötig, wenn keine USB-Verbindung vorhanden

ICSP-Header:• Programmierung neuer Mikrocontroller

(mit einem Bootloader)

Mikrocontroller:• Recheneinheit• Arbeitsspeicher• Speicher für Quellcode

„Analog“-Pins (insgesamt 6 Stück):• Signal-Eingänge für analoge Sensoren (0 – 5 V)

Stromversorgung:• 5 V, 3,3 V und GND-Anschluss

für externe Schaltungen

a)

c)

b)

MODUL 3: ROBOTIK-SYSTEME HANDELN SELBSTSTÄNDIG 17

13 Fernsteuerungen1. Bagger, Kräne, Atomkraftwerke, Medizin (endoskopische Chi rurgie), Militär (Drohnen), VR bei Computerspielen, Weltraum-missionen, Landwirtschaft.

2. linkes Beispiel: Zeitverzögerung bei der Datenübertragung, schlechte Qualität der Bildübertragung, Unterbrechung des Funkkontaktes Steuerung nicht möglich, Batterie entlädt sich. – rechtes Beispiel: Kraftentfaltung nicht fühlbar, falsche Abschät-zung der Dimensionen des Roboters, Ungenauigkeit beim Positio-nieren.


4. a) Telepräsenz soll einen möglichst realistischen Eindruck von einer weit entfernten Umgebung vermitteln, so als ob man real anwesend wäre.b) Stereoskopische Bilder liefern, Interaktivitäten ermöglichen, Positions- und Orientierungstracking, Raumton vermitteln, Geruch übertragen, mechanische Schwingungen rückkoppeln…c) Andocken der Sojus-Kapseln, Steuern des sogenannten Canad-arms an der Außenwand der ISS …d) Durch kraftreflektierende Joysticks kann die Fernsteuerung fein-fühliger bedient werden.

5. a) Mensch und Maschine bilden eine Einheit, viel genauere Steu-erung ist möglich, realitätsnahe Steuerung.b) Gefahrengütertransport, Militär, kraftaufwendige Arbeiten, fein-fühlige Arbeiten, Arbeiten im Weltraum (Weltraumspaziergang).c) Kraftrückkopplung ist möglich, dadurch reduziert sich die Gefahr, aufgrund des mangelnden Widerstandsgefühls Objekte zu beschä-digen. Gefahren, die nicht per Bild übertragen werden, sind per Rückkopplung mitteilbar.

6. Arten von Fernsteuerungen: Steuerung über Gedanken (Neu-ronale Implantate = Elektroden im Gehirn) sowie EMG (Elektromyo-graphie = Messung der Muskelaktivität).Funktionsweise. Neuronale Implantate: Hierbei werden Senso-ren ins Gehirn eingesetzt, welche die Nervenaktivität (elektrische Ströme) messen.EMG: Mithilfe von Oberflächenelektroden werden Muskelkontrak-tionen sehr genau gemessen. Mithilfe von Nadeln, die man in den Muskel einführt, kann man auch die Aktivität einzelner Muskel-fasern erfassen.

14 Autonome Systeme1. Level 0: Der Fahrer fährt selbst, lenkt, gibt Gas, bremst etc. Level 1: Bestimmte Assistenzsysteme unterstützen die Fahrer bei der Fahrzeugbedienung. Level 2: Teilautomatisierung (z. B. Einparken, Spur halten, Beschleunigen oder Abbremsen werden von Assistenz-systemen übernommen). Level 3: Das Fahrzeug führt selbstständig Funktionen wie Blinken, Spurwechsel und -halten durch. Der Fahrer muss das System nicht überwachen, er wird bei Bedarf innerhalb einer Vorwarnzeit zur Übernahme der Führung aufgefordert. Level 4: Die Führung des Fahrzeugs wird dauerhaft vom System gewähr-leistet. Werden die Fahraufgaben vom System nicht mehr bewältigt, kann der Fahrer aufgefordert werden, die Führung zu übernehmen. Level 5: Das Fahrzeug ist völlig autonom. Es ist ohne Lenkrad aus-gestattet und kann sich fahrerlos bewegen.


3. a) Unterfahrschlepper (1) – Staubsaugerroboter (2) – Drohne (3) – Autonom fahrender Elektrobus (4) – Mars-Roboter (5) – Service-roboter in der Pflege von Menschen (6)Es gibt – vor allem bei den Systemen mit sehr hoher Komplexität – keine eindeutige Reihenfolge des Komplexitätsgrades. Vermutlich wird der Serviceroboter für die Pflege von Menschen von allen auf Stufe 6 gesetzt.

b) (1) Ultraschallsensoren (Entfernungsmessung von feststehen-den Gegenständen), Radarsensoren (bewegliche Gegenstände) – (2) Ultra schallsensoren (Entfernungsmessung von feststehenden Gegenständen), Taster für die Kollision mit Gegenständen. – (3) Radar- und Lidarsensoren zur Erfassung von Gegenständen, Ultraschallsensoren zur Höhenmessung, Funksensoren zur Da-tenübermittlung. – (4) Utraschallsensoren, Radar- und Lidarsen-soren, Kameras zur Erfassung der Umgebung, GPS-Sensoren zur Erfassung des Standorts, GSM-Sensoren für Datenübertragung, Licht sensoren. – (5) Utraschallsensoren, Kameras zur Erfassung der Umgebung, Funksensoren zur Datenübertragung von der Basis, Thermosensoren zur Erfassung der Temperatur, Lichtsensoren, Neigungssensoren – (6) Utraschallsensoren, Radarsensoren, Kameras zur Erkennung von Menschen oder Gegenständen, Funksensoren zur Datenübertragung, Mikrofone zur Erfassung von Sprache, Lichtsensoren.c) Schülerindividuelle Antworten.

18 LÖSUNGEN

Modul 4 Robotik-Systeme erfüllen einen bestimmten Zweck


Roboter werden immer zweckbestimmt gebaut. Die Auf-gabenspanne heutiger Roboter umfasst nahezu alle Bereiche des Lebens – sowohl im beruflichen als auch im öffentlichen und privaten Bereich. Dieses Modul behandelt schwerpunkt-mäßig Roboter, die nicht nur stationär einem vorgegebenen Ablauf folgen, sondern mithilfe von Sensoren besondere Auf-gaben übernehmen oder Menschen bei der Durchführung ihrer Aufgaben unterstützen.

In den Arbeitsblättern dieses Moduls werden Roboter systeme vorgestellt, die den meisten Schülerinnen und Schülern (SuS) vermutlich nicht sofort in den Sinn kommen, wenn man über Roboter spricht. Dies soll die Vielfalt und die bereits tiefe Durchdringung unseres Lebens mit Robotersystemen dar stellen. Bei einigen Robotern lässt sich die Frage stellen, ob es sich überhaupt um Roboter handelt. Damit kann man thema-tisieren, worauf sich Robotersysteme reduzieren lassen: Sie sind keine Maschinen, die einem Menschen ähnlich sehen und sich menschen ähnlich verhalten, sondern Maschinen, die mit Sensoren und Aktoren ausgestattet und frei programmierbar sind.


Arbeitsblatt 15 behandelt die Interaktionen zwischen Menschen und Maschinen, der sogenannten Mensch-Maschine-Schnittstelle (MMS).

In Arbeitsblatt 16 lernen die SuS spezielle Serviceroboter und das Thema „künstliche Intelligenz“ näher kennen.

Arbeitsblatt 17 gibt Beispiele für Roboter systeme, die den Menschen in extremen Situationen unterstützen. Hinweis: In den Auf gaben 2 und 3 werden farbige Abbildungen zum Bearbeiten benötigt. Falls Sie Schwarz-Weiß-Kopien des Arbeits blattes an Ihre SuS verteilen, können Sie über den folgenden Link farbige Bilder für alle SuS projizieren oder Sie drucken diese auf einem Farbdrucker aus: https://space2school.de/AB17

Arbeitsblatt 18 stellt spezielle Robotersysteme in der Raumfahrt vor.


In diesem Modul wird neben klassischen methodischen Vorgehens-weisen auch ein Rollenspiel vorgeschlagen. Insbesondere bei Themen, in denen Emotionen und persönliche Betroffenheit zur Sprache kommen, ist diese Methode geeignet, da die SuS klare Positionen beziehen müssen. Den Lernenden muss allerdings genug Zeit zur Erarbeitung der inhaltlichen Themen gegeben werden.

MEDIEN

Insbesondere in diesem Modul ist der Einsatz von Computern und dem Internet zu empfehlen. Viele Unterrichtsinhalte des Moduls lassen sich nur mit modernen Medien adäquat umsetzen.

Die in diesem Modul verwendete App „Space 4D“ von Octagon Studio ist eine kosten-lose App. In-App-Käufe sind möglich, für die Grundbenutzung aber nicht notwendig. App und Demokarten kann man unter folgender Adresse beziehen: https://www.octagonstudio.com/products/edu/space-4d-plus

MODUL 4: ROBOTIK-SYSTEME ERFÜLLEN EINEN BESTIMMTEN ZWECK 19

15 Mensch-Maschine-Schnittstellen1. Pedal: Mit dem Fuß – die Hände bleiben frei, der Fuß kann relativ viel Druck aufbauen. Sprachsteuerung: Über die Spra-che – man kann in fast jeder Haltung eine Eingabe machen, aber Hintergrundgeräusche können stören. Smartwatch: Mit einem ein-zelnen Finger – man kann aus Versehen die falsche Taste drücken. Fahrrad / Mofa / Motorrad: Mit verschiedenen Fingern einer Hand – da die Hand zum Lenken benötigt wird, ist die Eingabe nicht ungefährlich.

2. a) Das System sollte selbsterklärend sein, eine Hilfefunktion sollte vorhanden sein, das System darf nicht überladen sein, die Buttons dürfen nicht zu nahe aneinander liegen, das System muss in einer geeigneten Höhe montiert werden …b) Usability ist die vom Nutzer erlebte Qualität im Umgang mit einem technischen Gerät. Die Benutzung soll einfach sein und zum Nutzer und seinen Aufgaben passen.

3. links: Alle Eingaben müssen über verschiedene Schalter am Joy-stick erfolgen. Der Nutzer muss sich in das System eindenken. – Der Anwender sieht die Ergebnisse nur zweidimensional. Er ist oftmals abgelenkt von der Umgebung.rechts: Die Handhabung des Systems ist intuitiv und erfolgt nur mit Gesten oder Bewegungen. – Alle Aktionen werden räumlich wahrgenommen. Der Benutzer kann störungslos vollkommen in das System eintauchen.

4. a) Eye-Tracking = Erfassen über Augenbewegungen. Von einer Kamera und einem Computer werden Punkte erfasst, die man betrachtet, Augenbewegungen aufgezeichnet und ausgewertet. Er-fassen lässt sich, was z. B. auf einer Bildschirmseite wahrgenommen wird, welche Betrachtungsdauer einzelne Dinge haben …

b) Das Aktivieren / Deaktivieren von Displays, die Aufmerksam-keitsspanne von Autofahrern, die Steuerung des Mauszeigers eines Computers, das Scharfstellen von Stereodisplays …

5. a) VR = virtual reality. Als virtuelle Realität bezeichnet man die Darstellung und Wahrnehmung von Szenarien und ihren physika-lischen Eigenschaften durch eine von einem Computer in Echtzeit erschaffene Umgebung. – AR = augmented reality. Unter erwei-terter (augmented) Realität versteht man die computergestützte Erweiterung der Wahrnehmung der menschlichen Sinnesorgane durch Ergänzung von Bildern, Videos oder computergenerierten Zusatzinformationen mittels Einblendung oder Überlagerung.b) VR: Computerspiele, virtuelle Rundgänge oder Ansichten einer Umgebung, künstliche Welten … – AR: Überlagerung von Bildern durch Computerinformationen, Einblenden von Hinweisen in eine Brille oder auf die Windschutzscheibe eines Fahrzeugs …c) Datenbrille, Smartphone, Kopfhörer, Computer.d) Schülerindividuelle Lösungen.


7. Bestehende Berufe: Routinetätigkeiten im unteren und mitt-leren Bereich unterliegen der Automatisierung, an- und ungelernte Arbeiter verlieren ihre Arbeit, großer Umschulungsbedarf. – Ent-stehende Berufe: steigende Nachfrage nach höheren Qualifika-tionen, flexible Organisation möglich, lebenslange Weiterbildung nötig, häufige technische Weiterentwicklung.


16 Roboter als Helfer im Alltag1. Serviceroboter – Industrieroboter (Beispielhafte Lösung):unbekannter Einsatzort – vorgegebener Einsatzorteinfache Bedienung durch den Anwender – komplizierte Bedienung durch Fachpersonalwartungsarm – regelmäßige Wartungrobust – filigranenergieeffizient – aufgabeneffizient

2. Haushalt: saugen, wischen, Rasen mähen, Haushaltsassistenten; Landwirtschaft: Melkroboter, Erntehelfer; Kommunen: Fassaden- oder Dachreinigung; Schwimmbadbodenreinigung; Medizin: Geh- und Bewegungshelfer, Pflege, Kommunikationsroboter; Rettung /Sicherheit: Drohnen zur Überwachung und Meldung; Spielzeug: Aibo, qfix, Lego Mindstorms; Hotel- und Gastwirtschaft: Service-roboter, Reinigungsroboter


4. a) Er besitzt Sensoren, die eine Kollision mit Menschen verhin-dern, er lässt sich führen.

b) (Prio) – Aufgabe (Beispielhafte Lösung):(1) Keinen Menschen berühren – (2) Sich nicht selber berühren – (3) Sich im Raum orientieren – (4) Keinen Tisch berühren – (5) Be-fehle von Gästen verstehen – (6) Ein Tablett halten – (7) Ein Getränk nicht verschütten – (8) Das richtige Getränk an den richtigen Tisch bringenc) KI = Maschinen bzw. Programme, die selbstständig auf neue Gegebenheiten reagieren, also dazulernen und so ihr Handeln anpassen und verbessern. Streng genommen ist derzeit nur eine „Mustererkennung“ erreicht, noch keine KI.d) Nein, die verstandenen Fragen werden an Server geschickt, die den Text nach Mustern durchforsten und die Antwort mit der höchsten Wahrscheinlichkeit zurückschicken.

5. a) Je weniger Masse bewegt werden muss, desto weniger Ener-gie benötigt man; es reichen kleinere Elektromotoren; die Getriebe werden nicht so belastet und können leichter gebaut werden; man benötigt keine externe Halterung für den Arm.b) Alle Kabel, Motoren und Getriebe befinden sich im Arm; keine Ecken und Kanten, die Menschen verletzen könnten und keine Zwischenräume, in denen man sich die Finger / Hand einklemmen könnte.

20 LÖSUNGEN

17 Roboter in extremen Situationen1. a) Über seinen Touchscreen können Hilfen abgerufen, Meldun-gen gemacht oder Strafzettel bezahlt werden.b) Die Gefahr der Fehlbeurteilung einer Situation könnte zu Ver-letzungen von Menschen führen. Andererseits kann ein Roboter nicht „verletzt“ werden.

2. a) 3-D-Karte vom Innenraum anfertigen, radioaktive Quellen orten, Stärke der Strahlung messen, Gegenstände einsammeln …b) Aufgrund der Strahlung sind herkömmliche Bilder stark ver-rauscht. Wegen des mangelnden Lichts lassen sich nur kleine Be-reiche fotografieren. Die Farben können unterschiedliche Abstände angeben.c) Durch den Scan erhält man Längenangaben und Abstände. Diese kann man am Rechner beliebig nah heranzoomen, um Strukturen zu untersuchen.

3. a) Laserstrahlen werden an den Wasserschichten zu stark abge-lenkt und zum Teil reflektiert. Deswegen verwendet man Schall-wellen in Fächerecholoten.b) und c) Schülerindividuelle Lösungen.

4. a) Der Weltraumschrott gefährdet zunehmend den weiteren Ausbau von Satellitensystemen. Für die Menschen würde das we niger Satellitennavigation bzw. Kommunikation bedeuten. Es besteht die Gefahr, dass der Schrott in der Atmosphäre nicht komplett verglüht und evtl. Teile auf die Erde fallen.b) Schülerindividuelle Lösungen.c) Beide Roboterarten müssen absolut luftdicht sein, tiefe Tem-peraturen aushalten, autonom agieren, weil das Eingreifen des Menschen nur bedingt möglich ist, sie müssen energieautark sein, Kommunikation ist kaum oder nur verzögert möglich …d) Tiefseeroboter – Weltraumroboter (Beispielhafte Lösung):autonomes Fahren – autonomes Fahrenkeine Sicht (Dunkelheit in der Tiefsee) – gute Sichthoher Druck (robuste Bauweise) – geringer Druck (filigrane Bau-weise)monatelang kein Kontakt – regelmäßiger KontaktBefehle / Aufgaben vorher programmieren – spontane Aufgaben-änderung möglichMessung von physikalischen Größen – Messung von physikalischen Größen

18 Raumfahrt – heute und in der Zukunft1. a) Filigranerer Aufbau durch bessere Werkstoffe, Räder sind einzeln an „Gelenkbeinen“ aufgehängt, komplexer Roboterarm mit mehreren Messinstrumenten, mehr sichtbare Sensoren.b) Lunochod war komplett ferngesteuert. – Curiosity kann auto-nom fahren und navigieren, auch das Bestimmen der Messziele, die Durchführung und Auswertung können autonom durchgeführt werden.c) Jedes Rad ist mit eigenem Lenk- und Antriebsmotor versehen. Hauptkörper kann sich schwierigem Gelände anpassen, Steigungen bis zu 45° sind möglich, verbesserte 3-D-Darstellung der Umgebung für autonomes Fahren.

2. a) Auf dem Vulkan herrschen ähnliche Bedingungen wie im Weltraum bzw. auf anderen Planeten: trockenes Klima, Boden-bedingungen wie auf dem Mond, kleine Beben in 600 km Tiefe.b) RODIN: Energieversorgung für Lander, Kommunikationsstelle zur Erde sowie zwischen Rover und Sensorboxen. – Rover LRU-2: Autonomes Platzieren und Einsammeln der Sensorboxen. – Sensor-boxen: Seismische Messungen zur Untersuchung der Zusammen-setzung des Mondes.c) Die Kameras des Landers und des Rovers können so die Geräte schnell identifizieren. Damit der Rover weiß, wie die Sensorbox liegt und er sie greifen kann, ist jede Seite mit einem anderen QR-Code ausgestattet.

3. a) Erhöhte Strahlung, körperlich sehr anstrengend, starke Lärm-belästigung (Klimaanlage des Anzugs), Gefahr einer Dekompressi-onskrankheit, insgesamt hohes Risiko.b) 4,3 mSv/a Jahreswert (abhängig vom Wohnort). Der Faktor liegt bei ca. 100.c) Ca. 93 mSv/a. In etwa das 20fache der Belastung in Deutschland.d) Keine Strahlenbelastung, Roboter ermüdet nicht (längere Repa-raturen möglich), bei Problemen ist kein Menschenleben in Gefahr, durch verschiedene Roboterarme flexibler einsetzbar, günstiger wegen geringerer Sicherheitsmaßnahmen.e) Schülerindividuelle Lösungen.

MODUL 5: KONSTRUKTION UND BAU EINES GREIFARMS 21

Modul 5 Konstruktion und Bau eines Greifarms


Hier geht es um Planung, Entwicklung und Bau eines ein-fachen Robotergreifarms. Dieser soll mit Servomotoren realisiert werden, wobei je nach Voraussetzung an den Schulen zwischen 2 und 5 Freiheitsgrade realisierbar sind. Der Schwerpunkt der praktischen Arbeit liegt nicht im präzisen Fertigen, sondern in der kreativen Anwendung der mathematisch-naturwissenschaft-lichen Kenntnisse.

Die Mechanik wird bewusst mit einfachen Profilen (z. B. Kunst-stoffleisten, Aluminiumprofilen oder Holzstäbchen für Eis am Stiel) realisiert. Als Verbindungstechniken haben sich Heißkleb-stoff, Klebeknete oder doppelseitiges Klebeband bewährt. Der Roboterarm sollte auf einer stabilen Bodenplatte (z. B. Fliese) stehen, damit er auch bei der maximalen Auskragung nicht kippen kann. Die Greifzange lässt sich je nach zeitlicher Vorgabe unterschiedlich konstruieren:– Zangen mit Kaffeelöffeln aus Kunststoff und Betätigung

mittels Seilzugsystem,– Zangen, die mittels ineinandergreifender Zahnräder betätigt

werden,– mithilfe eines CAD-Systems und einem 3-D-Drucker herge-

stellte Zangen.

Die Ansteuerung der Servomotoren kann über einen Mikro-controller, z. B. Arduino oder Calliope, erfolgen. Beides sind kosten günstige Systeme, die schnell und unkompliziert pro-grammiert werden können. In diesem Heft wird beispielhaft mit einem Arduino gearbeitet. Die Ansteuerung des Greifarms erfolgt für jeden Freiheitsgrad durch ein Potenziometer.


Arbeitsblatt 19 liefert die Basis für ingenieurwissen-schaftliches Arbeiten.

Arbeitsblatt 20 thematisiert die Werkstoffkunde mit dem Schwerpunkt auf dem Werkstoff Kunststoff.

Arbeitsblatt 21 befasst sich mit der Entwicklung des Roboterarm-Gestells.

In Arbeitsblatt 22 wird die Ansteuerung des Robotersystems erarbeitet.

Arbeitsblatt 23 dient zur Vereinigung des Robotersystems mit der Ansteuerung. Hinweis: Auch ohne Softwareprogramm lässt sich ein einfacher Schaltplan erstellen. Dazu sollten die Anschluss belegungen des Arduinos vorgegeben werden.

MEDIEN

Zur Darstellung der Schaltung eignet sich beispielweise das Programm Fritzing (www.fritzing.org). Die Freeware ermöglicht es, aus einer vorgegebenen Bibliothek die notwendigen Komponenten per „drag and drop“ zusammenzustellen.

Zum Konstruieren des Greifarms wird die CAD-Software Solid Edge verwendet, von der es kostenlose Testversionen gibt (bitte Suchfunktion Ihres Browsers nutzen).

Auch die Software für die Programmierung des Arduinos kann als Freeware aus dem Netz bezogen werden (www.arduino.cc). Beim Übertragen des Programms ist darauf zu achten, dass die richtigen Einstellungen der Arduino version, des Prozessortyps und der Schnittstelle gewählt werden.


Durch die Vorauswahl der Materialien durch die Lehrkraft kann zwar der zeitliche Aufwand begrenzt werden, andererseits wird dadurch die Kreativität der Schülerinnen und Schüler beschränkt. Die Roboterarme können in Einzel- oder Partner-arbeit hergestellt werden.

Es empfiehlt sich, den Bau des Greifarms mit einem Wettbewerb zu koppeln. Dazu kann eine Transportauf gabe im Mittelpunkt stehen, bei der eine vorgegebene Anzahl von Würfelzucker stücken von einer Seite auf die andere (also Schwenk um 180 Grad) transportiert werden soll. Nach Fertig-stellung der Greifarme kann der Wettbewerb als Qualitäts-kontrolle dienen und zur Optimierung der Systeme anregen.

22 LÖSUNGEN

19 Kreatives Konstruieren1. a) bis c)

(1) Erkennen und Aufbereiten des Problems

Pflichtenheft Eine Zusammenstellung von grundsätzlichen Anforderungen, die ein Produkt oder ein Projekt erfüllen soll, z. B. bei technischen Produkten: Genauigkeit, Gebrauchsdauer, Wartung, Stückzahl, Kosten, Zeit …

Brainstorming In einer Gruppe werden spontan Ideen gesammelt und stichwortartig aufgeschrieben, dabei darf noch nicht kritisiert werden. In der Auswertungsphase diskutiert man die Brauchbarkeit der Ideen.

Mindmap Zentrale Oberbegriffe werden bestimmt (z. B. in Baumstammform). Den Oberbegriffen werden Unterbegriffe (z. B. in Zweigform) zugeordnet. Von diesen sind Merkmale (z. B. Blätter) abzuleiten.

(2) Gewinnen von Lösungsideen

Analogiemethode Aus ähnlich funktionierenden Systemen in der Natur oder der Technik werden neue Ideen für technische Lösungen abgeleitet.

Variationsmethode Von einer vorhandenen Ausgangslösung lassen sich einzelne Merkmale, z. B. die äußere Form, variieren. Dadurch erhält man neue unterschiedliche Varianten der Ausgangslösung und neue Lösungsideen.

Generations-betrachtung

Mithilfe der Generationsbetrachtung wird die historische Entwicklungslinie eines technischen Systems analysiert. Daraus werden Merkmale für die Entwicklung neuer technischer Lösungen gewonnen.

(3) Ermitteln geeigneter Lösungen

Kombinationsmethode Lösungsvarianten von Detaillösungen werden verknüpft und kombiniert. Es werden nur die Kombinationsmög-lichkeiten ermittelt, die der Problemstellung / den Anforderungen entsprechen.

Bewertungs methode Beim Abwägen für / gegen eine Lösung werden Grundkriterien berücksichtigt, z. B. Funktionssicherheit, Mate-rialbedarf … Aus spezifischen Anforderungen können dann zusätzliche Kriterien abgeleitet werden. Mit einer Bewertungsskala (z. B. 1– 6 oder gut / schlecht) wird die Lösung ermittelt.

Modellmethode Vor der eigentlichen Produktion wird ein Prototyp bzw. ein Modell hergestellt. An diesem Modell lassen sich die geforderten Funktionen durch Experimentieren erproben und Verbesserungen vornehmen.

Technisches Experiment Durch Experimente lassen sich neue Lösungen finden, bestehende Techniken verbessern, Hypothesen über prüfen, technische Parameter ermitteln oder Zweckmäßigkeit und Zuverlässigkeit feststellen.

(4) Gestalten der Lösung

Gestaltungsregeln Durch klare Regeln der Gestaltung und Konstruktion (z. B. einfache, eindeutige, sichere Konstruktion) wird eine Lösung umgesetzt, die die geforderte Funktion erfüllt und sich wirtschaftlich herstellen lässt.

(5) Präsentieren der Lösung

Referat mit Präsentation

Zusammenstellen aller Unterlagen und Strukturieren der inhaltlichen Grundgedanken. Danach erfolgt deren Aufbereitung frei oder am Computer (mit Folien, Modellen oder Postern). Der Vortrag erfolgt deutlich, langsam und mit Blickkontakt zu den Zuhörenden.

d) Schülerindividuelle Lösungen.


3. Beispielhafte Lösung: Analogiemethode. Der menschliche Arm besitzt zwar nahezu unendlich viele Freiheitsgrade, die Grund-funktionen können aber mit vier Freiheitsgraden ausgeführt werden. Daher kann auch der Roboter aufs Wesentliche beschränkt werden. Die Stützfunktion bei Menschen wird durch eine stabile Knochen-struktur gewährleistet, beim Roboter durch Profile. Die Verbindung der Gelenke beim Menschen erfolgt über Muskeln und Sehnen, beim Roboter über Aktoren. Energieversorgung beim Menschen über Blutbahnen und die Ansteuerung über Nerven; beim Roboter über Stromleitungen.

4. In der Reihenfolge der Abbildungen (V = Vorteile, N = Nachteile):Servomotor. V: kostengünstig, bis zu 360° Drehwinkel, kompakt. N: nur kleine Kräfte übertragbar, Kunststoffgehäuse. – Elektro motor. V: kostengünstig, komplette Rotation, einfache Unter- / Über-setzung mit Getriebe. N: keine gezielten Drehbereiche einstell bar, keine Rückmeldung über aktuelle Position. – Linearmotor. V: klare Bewegungsbereiche definierbar. N: relativ teuer, keine gezielten Drehbereiche einstellbar, keine Rückmeldung über aktuelle Position. – Schrittmotor. V: bis zu 360° Drehwinkel, kompakt, klare Bewe-gungsbereiche definierbar. N: relativ teuer, komplexe Ansteuerung.

5. a) Baugruppe „Greifzange“, 1. Lösung: Die Greifzange öffnet sich und schließt über Zahnräder, die ineinandergreifen. Ein Zahn-rad ist auf der Welle des Motors befestigt, das andere auf einem gesonderten Lager. Auf jedes Zahnrad wird ein Zangenteil, z.B. ein Kaffeerührer aus Kunststoff, geklebt. – 2. Lösung: Die Greifzange öffnet und schließt sich über zwei auf einem 3-D-Drucker herge-stellte Kunststoffbügel mit integrierten Zähnen. Ein Bügel ist auf der Welle des Motors befestigt, der andere auf einem gesonderten Lager, welches z. B. auf einer Halteplatte befestigt wird.Baugruppe „Gestellarm“, 1. Lösung: Ein einfacher Gestellarm lässt sich mit Kunststoff- oder Holzstäben herstellen. Diese könnten direkt auf den Antrieb, die Motorachse oder auf eine aufgesteckte Buchse geklebt werden. Durch die einseitige Belastung ist das Sys-tem etwas instabil. – 2. Lösung: Ein zweiseitiger Gestellarm ermög-licht höhere Belastungen. Die Konstruktion lässt sich mit Kunststoff- oder Holzstäben herstellen. Diese könnten direkt auf den Antrieb oder die Achse des Motors geklebt bzw. geschraubt werden.b) Schülerindividuelle Lösungen; beispielhafte Lösung: Die Variante mit den geklebten Kaffeerührern wird mit einem einfach ausgeleg-ten Kunststoffgestell kombiniert, da die Lösung leicht und einfach herzustellen ist.


MODUL 5: KONSTRUKTION UND BAU EINES GREIFARMS 23

20 Konstruktion und Produktion der Greifzange1. Bakelit wird durch Aushärten von Phenolharzen hergestellt. Es wird als erster duroplastischer Kunststoff angesehen. Heute sind modernere Kunststoffe ein fester Bestandteil in allen Lebens-bereichen.

2. Faserverbundwerkstoffe: Bei Faserverbundwerkstoffen werden Fasern in eine weitere Komponente des Werkstoffs eingebettet. Die Fasern können in einer oder mehreren Richtungen verlaufen und aus mehreren aufeinanderliegenden Schichten bestehen. Verbund-werkstoffe mit Kohlefasern sind z. B. sehr leicht, stabil und bruch-fest.Formgedächtnisstahl: Sogenannte Memorymetalle besitzen zwei unterschiedliche Kristallstrukturen. Dadurch können sie sich schein-

bar an eine frühere Formgebung trotz nachfolgender starker Ver-formung „erinnern“. Beispielsweise unter Wärmeeinfluss verformen sich entsprechende Werkstoffe selbstständig.Mikrofasern: Diese sehr feinen Fasern bestehen aus Polyester, Polyacryl oder Polyamid. 10.000 Meter Faden wiegen lediglich ca. 1 Gramm. Mikrofasern verfügen über eine sehr weiche Struktur bei enormer Formbeständigkeit. Sie sind nahezu schmutzresistent, ziehen Staubpartikel an und haben eine sehr hohe Saugkraft.



21 Konstruktion des mechanischen Gestellarms1. a) und b)

FG Skizze eines Gestellarms Mögliche Arbeitsabläufe

1 Zucker kann angehoben und Greifer gerade aufgerichtet werden.

2 Zucker kann angehoben und zu den Seiten abgelegt, Greifer gerade aufgerichtet werden.

3 Zucker kann angehoben und der Greifer dabei von rechts nach links gedreht und gerade aufgestellt werden.

4 Greifer kann angehoben und von rechts nach links ge-dreht und gerade aufgestellt werden. Außerdem kann der Greifer rotieren.

2. a) Seitenansicht Draufsicht

b) Die Bodenplatte sollte im Radius kleiner sein als die mögliche Länge der Ausleger (max. 9,75 cm Ø), damit ein transportiertes Bauteil neben der Platte abgestellt werden kann. Diese darf daher maximal 9,25 cm Ø oder 13,8 cm Seitenlänge haben.


max. 19,5 cm

L1

L2

L3

max. 9,75 cm

1 cm

max

. 13,

8 cm

22 Planung und Programmierung der Robotersteuerung1. a) und b) Wippschalter (5) – Schiebeschalter (4) – Drehpoten-ziometer (1) – Drehschalter (2) – Taster (5) – Schiebepotenziometer (1) – Joystick (3) – Schlüsselschalter (5)c) Ein regelbarer Widerstand (Potenziometer) ermöglicht eine stu-fenlose Einstellung. Außerdem ist er nicht selbstständig rückstellend.

2. a) Antworten in der Reihenfolge der Fragen von oben nach un-ten. Es wird ein Potenziometer verwendet. – Am analogen Eingang A0. – Am digitalen Ausgang 8. – Um 180 Grad. – Der Widerstand des Potis spielt keine Rolle, der Wert wird auf 1023 Teile skaliert.b) Beispiellösung siehe Screenshot auf der nächsten Seite.

3. Praktische Arbeit, keine Lösungsvorgabe möglich.

G

G

G

G

24 LÖSUNGEN

23 Verdrahtung und Inbetriebnahme des Greifarms1. Praktische Arbeit, keine Lösungsvorgabe möglich.

2. a)

b) Der graue Balken trennt das Breadboard in zwei spiegel-symmetrische Teile. Der obere Teil ist dabei nicht mit dem unteren Teil verbunden.

3. bis 5. Praktische Arbeit, keine Lösungsvorgabe möglich.

2. b)

25

ARBEITSBLÄTTER

Modul 1: Robotik-Systeme registrieren ihre Umwelt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26

Modul 2: Robotik-Systeme bewegen sich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35

Modul 3: Robotik-Systeme handeln selbstständig . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48

Modul 4: Robotik-Systeme erfüllen einen bestimmten Zweck . . . . . . . . . . . . . .61

Modul 5: Konstruktion und Bau eines Greifarms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72

Bitte beachten Sie die Bedeutung folgender Symbole neben den

Aufgabennummern:

Diese Aufgabe ist nicht direkt auf dem Arbeitsblatt zu lösen.

Sternchenaufgaben sind zusätzliche, etwas umfangreichere oder schwierigere

Aufgaben. Sie eignen sich gut zur Differenzierung.

*

26 MODUL 1: ROBOTIK-SYSTEME REGISTRIEREN IHRE UMWELT

© Als Kopiervorlage freigegeben. DLR, 2018

Ein Gewerkschaftsführer besuchte eine große Automobilfabrik. Der Direktor führte ihn stolz durch

das Werk. An einer vollautomatisierten Maschine meinte der Direktor ironisch: „Dieser Roboter

wird Ihnen wohl keine Gewerkschaftsbeiträge zahlen!“ Die spontane Antwort des Gewerkschafts-

bosses lautete daraufhin: „Er kauft aber auch kein Auto!“

1 Menschen und Maschinen

Seit jeher nutzen Menschen Werkzeuge und Maschinen als Hilfe zur Bewältigung des Alltags. Vom einfachen Faustkeil über robustes Werkzeug und großartige, komplexe Ma-schinen bis hin zum Hightech-Greifarm haben technische Hilfsmittel die Entwicklung der Menschheit geprägt und beeinflusst.

1. Zwischen einem Werkzeug und einer Maschine gibt es deutliche Unterschiede. Benenne den jeweiligen Sinn und Zweck und nenne jeweils Beispiele.

Werkzeug Maschine

Definition Ein Werkzeug ist ein Hilfsmittel, welches nicht zum eigenen Körper gehört.

Eine Maschine hat ein Antriebssystem mit beweglichen Teilen, die eine definierte Bewegung durchführen.

Sinn und Zweck

Beispiele

2. Die technische Entwicklung führte mehr und mehr dazu, dass Maschinen dem Menschen einen immer größeren Teil der körperlichen und auch geistigen Arbeit abnehmen. Dabei entsteht sozusagen ein Wettbewerb zwischen Mensch und Maschine.

a) Beschreibe die jeweiligen Vorteile der beiden „Konkurrenten“.

b) Welche Probleme verdeutlicht die folgende Geschichte? – Diskutiert die Anekdote und schreibt das Ergebnis auf.

menschliche Handlungen maschinelle Handlungen

1 MENSCHEN UND MASCHINEN 27

ROBOTER – AUS FAULHEIT

UND FASZINATION

Warum bauen Menschen seit Jahrtausenden Maschinen und – zumindest seit mehr als 50 Jahren – auch Roboter? Darauf gibt es eine praktische und eine philosophische Antwort. Automaten helfen den Menschen, das Leben einfacher zu machen. 4-D-Prinzip sagen dazu die Engländer: dull, dumb, dirty, dangerous – immer wenn es stumpfsinnig, dumm, dreckig oder gefährlich wird, ist die Technik zur Stelle. Doch jenseits dieser Hilfe geht von Maschinen auch eine große Faszination aus. Will Wright, der Erfinder der „SimCity“-Computerspiele hat das so formuliert: „Meine Begeisterung für Roboter beruht darauf, dass ich besser verstehen möchte, was es be deutet, Mensch zu sein.“


3. Körperlich arbeitende Menschen benötigen oftmals Kraft und Ausdauer, um komplexe oder schwere Arbeiten durchzuführen. Beschreibe anhand der beiden Beispiele die Zusammenarbeit von Menschen und Maschinen.

4. Der technische Fortschritt mit der zunehmenden Digitalisierung und Automatisation wird viele bestehende Berufsbilder verändern. Es werden aber auch viele komplett neue Berufe entstehen. Informiere dich (z. B. im Internet) über die im Folgen-den vorgestellten neuen Berufe und beschreibe diese im Zusammenhang mit der digitalen Entwicklung.

Robotik-Ingenieur

eSports-Management

Luft- und Raumfahrttechnik

Softwareentwicklung



2 Ohne Elektrotechnik keine Roboter

Elektrogeräte, elektrische und elektronische Maschinen sowie Computer bilden die Basis unserer modernen Kommunikati-onswelt. Da man elektrischen Strom und dessen Spannung nicht sehen kann, haben viele Menschen Schwierigkeiten, sich die Funktion von entsprechenden Geräten oder einzel-nen Komponenten vorzustellen. Vieles lässt sich mit dem sogenannten EVA-Prinzip erklären und besser verstehen.

1. Das EVA-Prinzip beschreibt in der Elektro- und Computertechnik die Herangehensweise nach Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe.

Das weiter unten stehende Kästchen enthält Begriffe für Bauteile der Elektrotechnik. Bildet Gruppen und erstellt jeweils ein Poster mit den drei Bereichen: E = Eingabe, V = Verar beitung, A = Ausgabe.

Benennt jedes Bauteil, beschreibt seine Funktion, zeichnet das entsprechende Schaltzeichen auf und sucht nach einem Bild des Bauteils. Vielleicht bekommt ihr von eurer Lehrkraft ein echtes Bauteil zum Aufkleben?

Gibt es Bauteile, welche sich keinem der EVA-Bereiche zu-ordnen lassen? (bitte unter „sonstige = S“ listen)

Spannungsquelle, Elektromotor, Glühlampe, Elektrolytkondensator, Leuchtdiode, Diode, Messgerät, Summer, Widerstand, Masse, regelbarer Widerstand, Batterie, Kondensator, Trimmpotenziometer, Schalter, Transistor, Taster, Wechselschalter, Relais, Thermistor, Sicherung, Foto widerstand, Leitungen ohne / mit Verbindung, Reedkontakt, Lautsprecher, Mikrofon

2. Verbinde den Minuspol einer 9-V-Batterie über eine schwarze Leitung mit einem Anschluss eines Schalters. Verbinde dann den zweiten Anschluss des Schalters mit dem kurzen Anschluss einer LED (2,2 V; 20 mA). Nun verbinde den Pluspol der Batterie mit hilfe einer roten Leitung mit dem langen Anschluss der LED.

a) Was passiert? – Ergänze den Satz:

Betätigt man den Schalter

b) Welcher Schritt des EVA-Prinzips fehlt? Beschreibe.

2 OHNE ELEKTRONIK KEINE ROBOTER 29

3. In der Elektrotechnik unterscheidet man bei der Darstellung von elektrischen Schaltungen zwischen Verdrahtungsplan, Schaltplan und Stromlaufplan.

Ergänze die drei folgenden Darstellungsmöglichkeiten der Schaltungen.

+

–

4. a) Erkläre anhand der Zeichnung, wie eine Transistorschaltung funktioniert.

b) Zeichne einen Schaltplan der Schaltung in dein Heft oder auf ein Poster.

Pin 4

GND

MENSCHLICHE STROMKREISE

Verwunderlich, aber wahr: Auch wir werden durch Schaltkreise gesteuert. Jede Nervenzelle im menschlichen Körper macht nichts anderes, als elektrische Spannungs-impulse weiterzuleiten und über die Schnittstellen der Nervenzellen, die Synapsen, gezielt an andere Nerven-zellen weiterzugeben. Auf diese Weise spüren wir Schmerz, nehmen die Umwelt wahr, bewegen Arme und Beine und lesen Texte wie diesen hier. Im Gegensatz zu elektrotechnischen Schaltplänen ist der menschliche aber noch viel komplizierter! Allein im Gehirn haben wir etwa 100 Milliarden Nervenzellen, die in einem sogenannten neuronalen Netz miteinander verschaltet sind. Roboter und Computer, die auf dieser Schaltungslogik aufbau-en, haben die menschlichen Möglichkeiten noch nicht erreicht.

a) b) c) Verdrahtungsplan




3 Steuerungs- und Regelungstechnik

Nahezu alle Geräte, Einrichtungen und Anlagen im privaten und industriellen Bereich sowie in der Raumfahrt basieren auf der Steuerungs- und Regelungs-technik. Dabei werden Größen erfasst, weiterverarbeitet und andere Systeme beeinflusst. „Steuern und Regeln“ sind jedoch Begriffe, die umgangssprachlich oft vermischt werden. Die Gemeinsamkeit beider Systeme liegt darin, einen bestehenden Wert einem gewünschten Wert anzupassen. Der aktuelle Wert wird IST-Wert genannt, der angestrebte Wert heißt SOLL-Wert.

1. In welcher Definition geht es um Steuerungen, in welcher um Regelungen? Trage entsprechend ein.

… sind relativ einfach aufgebaut, haben aber den Nach-teil, dass sie keine Rückmeldung über den aktuell erreich-ten Wert geben. Sie schalten entweder ein oder aus.

1

… können einen SOLL-Wert genau halten. Sie schalten nicht nur ein oder aus, sondern versuchen permanent, SOLL- und IST-Wert anzugleichen.

2

2. a) Sammle Alltagsbeispiele für einfache Steuerungen und Regelungen.

Steuerungen Regelungen

b) Ordne zu und trage ein: Steuerung (S) oder Regelung (R)?

3. Fasse die Vor- und Nachteile von Steuerungen und Regelungen zusammen.

Steuerung Regelung

Vorteile Nachteile Vorteile Nachteile

3 STEUERUNGS- UND REGELUNGSTECHNIK 31


4. Benenne das Flussdiagramm der Steuerung einer Straßenlaterne.

5. Benenne das Flussdiagramm der Regelung einer Heizung.

6. Das Schaltverhalten von Steuerungen oder Regelungen lässt sich auch in Diagrammen darstellen. Um welche Geräte könnte es sich bei den abgebildeten Kurven handeln?

1)

2)

3)

Zeit t

Leis

tung

P

1

2

3

WENN SCHALTKREISE

BERÜHMT WERDEN

Ob in den zahllosen „Alien“-Streifen oder in den „Star Wars“-Filmen: Intelligente Maschinen sind in Hollywoodfilmen immer gut für spektakuläre Abenteuer und können berühmt werden. Wie alles im Kino sind allerdings auch die kniffligen elektrotechnischen Rege-lungen nur Schein – die digitalen Filmhelden werden von Designern und Trickfilmexperten als Animation erzeugt. Früher saßen in den Roboterrüstungen sogar echte Menschen: R2D2, den sympathischen kleinen Roboter-helden aus Star Wars, hat der US-Schauspieler Kenny Baker zum scheinbar elektrischen Leben erweckt. Er war mit 1,11 Meter Körpergröße einer der wenigen, der in die enge Robotertonne passte.

R1

RFT

12 V

ML MK

T

KR1

RT12 V

SteuereinrichtungFührungs-

größeSteuer-größeStellglied Steuerstrecke

Führungs-größe

Regel-größeRegler Stellglied Regelstrecke

Messeinrichtung Sensor

Störgröße



4 Sensoren erfassen Messwerte

Der Begriff „Sensor“ kommt aus dem Lateinischen von „sen-tire“, was „fühlen“ oder „empfinden“ heißt. Diese Eigen-schaften sind passende Beschreibungen für die Funktion von biologischen und technischen Sensoren, die physikalische und chemische Größen oder stoffliche Beschaffenheiten auf der Erde und im Weltraum erfassen („Messwertnehmer“).

1. Zähle verschiedene physikalische und chemische Eigenschaften und stoffliche Beschaffenheiten auf, die von biologischen oder technischen Sensoren erfasst werden können.

2. Ergänze die folgende Tabelle, sodass zum Schluss vier unterschiedliche Sensoren vorgestellt werden. Die gedruckten Vorgaben helfen beim Finden des jeweiligen gesuchten Sensors.

Eigenschaften (misst …)

Druck

Funktions-bezeichnung

optischer Sensor

Biologie

Technik Thermistor

praktische Anwendung

Sprachsteuerung eines Roboters

3. Gibt es technische Sensoren, für die Menschen kein Sinnesorgan haben? Beschreibe einen solchen Sensor und seine mögliche Anwendung näher.

4 SENSOREN ERFASSEN MESSWERTE 33


4. Um exakte Umgebungsdaten für Roboter zu erzeugen, werden in der Regel spezielle, besonders präzise Sensoren verwendet.

a) Ordne die Sensortypen dem passenden Funktionsprinzip (doppelte Linie) und dem möglichen Einsatzbereich (gepunktete Linie) zu, indem du die Buchstaben a) bis f) einträgst. Zur besseren Übersicht kannst du jedem Sensor eine eigene Farbe zuweisen und die Textblöcke entsprechend farbig hinterlegen.

b) Wähle einen Sensor aus und erstelle eine kurze Präsentation dazu. Verwende neben Text auch Bilder und Skizzen.

(a) Ultraschallsensor (b) Radar (c) Beschleunigungssensor

(f) Lidar(d) Wärmebildkamera (e) CCD-Kamera

Erfasst das zurückgestreute Licht von ausgesendeten Laserimpulsen.

Erfasst die auf eine Testmasse wirkende Trägheitskraft und bestimmt so, ob eine Ge-schwindigkeitszunahme oder -abnahme stattfindet.

Erfasst Schallfrequenzen oberhalb des Hörfrequenz-bereichs des Menschen.

Erfasst die abgegebene Wärme energie, die von Personen oder Gegenständen in Form von Infrarotwellen ausgestrahlt wird.

Erfasst Lichtwellen und wandelt diese in elektronische Signale für die Darstellung eines zweidimensionalen Bilds um.

Erfasst zurückgestreute elektromagnetische Wellen (Funkwellen) im Radio-frequenzbereich.

Erfassung von sichtbaren Wellen längen sowie von Infrarot-, UV- und Röntgen-strahlen; Restlichtverstärker, Abtastung von Farben oder Grautönen.

Überwachung von Bewe-gungen im Schiffs- und Flugverkehr, Aufspüren von Wetterfronten, Türöffner oder Lichtschalter in Gebäuden, Abstandshalter und Not-bremsfunktion in Fahrzeugen, Erkennung und Überwachen von lebenden Personen und deren Körperbewegung.

Entfernungsmessung von Gegen ständen, z. B. in Ein-parkhilfen, für Tiefenmessung und Meeresbodenunter-suchung; Entfernung von Zahnstein; zur Abschreckung von Mardern oder Hunden.

Prüfung der Wärme-dämmung von Gebäuden, Aufspüren von Glutnestern bei Bränden, Suche von Lebewesen, Erfassung der Oberflächentemperatur von Landflächen oder Ozeanen, Nachtsicht-Assistenten in Fahrerassistenzsystemen.

Messung von Vibrationen an Gebäuden und Maschinen; Auslösung von Airbags; Alarmanlagen bei beweg-lichen Gütern oder als Berüh-rungssensor; auto matisches Umschalten von Hoch- auf Breitbild in Kameras; Steuerung von Videospielen.

Messinstrument bei Ge-schwindigkeitskontrollen, Ent-fernungsmessung für Gegen-stände, Hindernis erkennung von Fahrzeugen, Objekt- und Formerkennung bei der Um-gebungserfassung.



AM ANFANG WAR DIE SCHILDKRÖTE

Sie sahen aus wie rollende Toaster, waren die ersten intelligenten Maschinen der Welt und machten ihren Erfinder weltberühmt: Die „Schildkröten“, die der englische Hirnforscher Grey Walter 1948 der Öffentlichkeit präsentierte, konnten zum ersten Mal mit Schaltkreisen intelligentes Verhalten erzeugen. Ein Helligkeits- und ein Berührungssensor versorgten einen Antriebs- und einen Lenkmotor mit den nötigen Signalen, um die Toaster-Schildkröten zu einer Lichtquelle torkeln zu lassen – der Startschuss für die modernen Roboter von heute, die ihr Verhalten an die Umwelt anpassen.


5. Um die Informationen nutzen zu können, die z. B. eine Kamera erfasst hat, wird die physikalische Eigenschaft der Helligkeit einzelner Punkte in elektrische Signale umgewandelt. Beschrifte die Bauteile der abgebildeten Grafik mithilfe des folgenden Textes.

In einer CCD-Kamera (z. B. in Smartphones) sind mehrere in einem Strang angeordnete Fotodioden jeweils mit einer

Zelle eines Schiebe speichers verbunden. Durch einen Taktgeber werden alle Dioden belichtet, die Information in

einer Zelle des vertikalen Schiebespeichers abgelegt und alle Inhalte dieses Schiebespeichers in einen horizontalen

Schiebespeicher verschoben. Die Inhalte werden in einem Verstärker aufbereitet, in einem Analog- / Digitalwandler

übersetzt und dann als Signale weitergeleitet.

6. In Zukunft werden viele technische Systeme selbstständig arbeiten und agieren. Beschreibe, welche Aufgabe die folgenden Sensoren in autonom fahrenden Fahrzeugen haben.

Lidar:

Radar:

10

01

11

00

10

0..

.

5 OHNE MATHEMATIK GEHT NICHTS 35


5 Ohne Mathematik geht nichts

Die Raumsonde Rosetta startete 2004 von der Erde und erreichte ihr Ziel über zehn Jahre später genau an der vorausberechneten Position. Auch ein Roboter auf der Erde muss seine Lage im Raum exakt kennen, damit er beispielsweise die Spitze seines Greifarmes an die richtige Stelle führt. In beiden Fällen ist die Mathe matik die Grundlage der Problemlösung.

Für das Programmieren von Roboter-Systemen benötigt man mathematische Kenntnisse über Geometrie, Koordinatensysteme und Transformationen.

1. a) Wir verwenden Koordinatensysteme zur Orientierung im Raum. Welche Koordinatensysteme nutzt du im Alltag?

b) Die Verwendung verschiedener Koordinatensysteme ist typisch für die Robotik. Häufig verwendete Koordinatensysteme sind: RobRoot-Koordinaten, Weltkoordinaten, Werkstückkoordinaten, Werkzeugkoordinaten.

Ordne die genannten Begriffe den Koordinatensystemen in der Abbildung zu.

c) Informiere dich über die Koordinatensysteme aus Aufgabenteil b), von denen du noch nichts gehört hast.

2. Überlege und schreibe auf, welche Vorteile es hat, verschiedene Koordinatensysteme zu verwenden.

36 MODUL 2: ROBOTIK-SYSTEME BEWEGEN SICH


3. Ein Roboter soll mit seinem Greifarm auf einem Schachbrett Spielfiguren verschieben. Der Einfachheit halber verwenden wir ein kartesisches Koordinaten-system als Schachbrett, die Figuren stehen auf den üblichen Koordinaten.

a) Zeichne ein Koordinatensystem und trage den Ort der Dame (2 / 3) und des Turms (1 / 4) ein. Verwende ggf. eine App (z. B. Geometry Pad).

b) Der Roboter soll die Figuren jeweils um zwei Felder nach rechts und ein Feld nach oben verschieben. Zeichne die neuen Positionen ein und verbinde die alten und neuen Positionen miteinander.

c) Was fällt an den beiden Verbindungslinien auf?

d) Der Springer (5 / 2) muss ebenso verschoben werden. Nenne seine neue Position, ohne sie einzuzeichnen.

Nun sollen die Figuren aus ihrer ursprünglichen Position um 90° um den Ursprung gedreht werden.

e) Zeichne dies in das Koordinatensystem ein. Welche neuen Koordinaten hat der Springer nach der Drehung?

f) Betrachte die Koordinaten vor und nach der Drehung. Stelle eine Regel auf, wie die Koordinaten nach der Drehung lauten. Wende diese Regel für alle Figuren an.

MENSCH GEGEN MASCHINE –

DER ERSTE SCHACHROBOTER IST 150 JAHRE ALT

Es ist offenbar ein Grundbedürfnis von Menschen, sich mit Maschinen messen zu wollen. Hydraulik und Hebelarmen sind wir an Kraft schnell unterlegen – deswegen sind Geschicklichkeit und Denkvermögen die Königsdisziplinen, in denen wir gerne gegen vermeintlich intelligente Maschinen antreten. Der erste schach-spielende Roboter der Welt war allerdings ein Fake: 1769 stellte der österreichisch-ungarische Erfinder Wolfgang von Kempelen seinen „Schachtürken“ vor, in dessen Inneren jedoch keine Mechanik oder Elektrik, sondern ein Schachspieler saß. Dank Mathe matik und Informatik ge-lang es erst 1996 dem Schachroboter „Deep Blue“ einen amtierenden Schach-weltmeister im Turnier zu schlagen.

5 OHNE MATHEMATIK GEHT NICHTS 37


4. Befindet sich der Greifarm im Weltraum an einem Reparatur roboter (Abb.), so bewegt sich dieser ständig mit dem Roboter mit. Er muss für seine Greifaktionen regelmäßig die Koordinaten anpassen. Dies macht man mithilfe einer Koordinatentransformation, d. h. man wandelt die Punkte eines Koordinatensystems in die Punkte eines neuen Koordinatensystems um. Diese Trans-formation ist meist eine Kombination aus Verschiebung und Drehung.

a) Aus welchen Teiltransformationen besteht die rot abge bildete Koordinatentransformation?

b) Welche Koordinaten hat der Punkt P (1 / 2) im trans-formierten System?

c) Welche Koordinaten hat der Punkt (1 / 2) des transfor-mierten Systems im ursprünglichen System? Recherchiere ggf. zunächst, mit welcher Formel man gedrehte Koordi-naten berechnen kann.

d) Wie kann man ohne Zeichnung die neuen Koordinaten von (2 / 4), (- 2 / 1), (0 / 0) herausfinden?

e) Informiere dich, wie man Verschiebungen und Drehungen mithilfe von Vektoren darstellen kann. Stelle die Vektoren der Koordinatentransformation auf, indem du einen Translationsvektor und einen Rotationsvektor aufstellst.

*

0

1

P

1

0

1

1



6 Die Natur und ihre Gesetze

Ein Roboter kann sich nur nach den Gesetzen der Physik bewegen. Diese gelten im gesamten Universum. Grundlegende Gesetze betreffen die Newton-sche Mechanik (Gewichtskraft, Beschleunigung) und den Magnetismus.

Bei einem Parabelflug oder beim Flug mit einer Rakete kann man die Wirkung von Kräften erfahren: wie Massen sich gegenseitig beeinflussen oder wie Be-schleunigungen und Schwerebeschleunigung wirken. Auch Kurvenfahrten sind beschleunigte Bewegungen.

Magnetismus ist für Objekte in der Schwerelosigkeit eine nützliche Eigenschaft, damit diese nicht unkontrolliert herumfliegen.

1. Curiosity ist ein Roboterfahrzeug, welches für die Erkundung des Mars konzipiert wurde. Auf der Erde wiegt Curiosity 900 kg.

a) Auf dem Mars beträgt der Ortsfaktor g = 3,73 N/kg. Wie schwer ist Curiosity auf dem Mars?

b) Der Roboter soll auf dem Mars ein Loch in den Boden bohren. Dazu muss er sich vorher am Boden festkrallen. Erläutere, warum dies nötig ist.

c) Die Gewichtskraft ist ein Spezialfall der Beschleunigungskraft. Stimmt das? Nimm Stellung dazu. Tipp: Vergleiche die einzelnen Größen und Einheiten.

2. Stell dir vor, du bist Beifahrer in einem Auto des britischen Geheimdienstes mit eingebautem Schleudersitz. Du kritisierst den Fahrstil des Agenten zu heftig und wirst deswegen während der Fahrt mit 6 g herausgeschleudert.

a) Wie hoch wäre deine Beschleunigung in m / s2?

b) Mit welcher Kraft würdest du in den Schleudersitz gedrückt?

c) Könntest du diese Beschleunigung lange aushalten? Begründe und erkläre, was mit dir passieren würde.

6 DIE NATUR UND IHRE GESETZE 39


3. Die Abbildung zeigt fünf Bewegungsmuster von Fahrzeugen. In welchen Fällen liegt eine beschleunigte Bewegung vor? Erläutere deine Antwort.

4. Ein Roboter soll an seinem Greifarm einen magnetischen Schraubendreher haben.

a) Müssen die Schrauben ebenfalls magnetisch sein?

b) Wie könnte man den magnetischen Schraubendreher magnetisch abschirmen?

c) Der Schraubendreher soll nicht permanent magnetisch sein. Welche Lösung würdest du vorschlagen, um dies zu realisieren?

30 km/h

60 km/h

30 km/h

60 km/h

60 km/h

60 km/h

60 km/h

0 km/h30 km/h

60 km/h

60 km/h

a)

e)

c)

b)

d)

STARK, BEWEGLICH UND GANZ

SCHÖN REICH: DIE ROBOTERTECHNIK

BOOMT GEWALTIG

Neben den Naturgesetzen unterliegen Roboter heute vor allem den Gesetzen der Märkte – und die Nachfrage ist riesig. Bis 2020 soll sich die Zahl der Industrieroboter in Deutschland im Vergleich zu 2017 auf drei Millionen fast verdoppeln, so die Aussage des Branchenverbandes der Roboterhersteller IFR. Und neben den Helfern, die in den Fertigungsstraßen von Autokonzernen, Maschinen-bauern und Lebensmittelherstellern ihren Dienst tun, gibt es auch noch Medizin, Militär, Agrartechnik und Wissen-schaft. Überall steigen die Zahlen der Roboter-Systeme mit zweistelligen Zuwachsraten. Deutschland ist ganz vorne mit dabei: Abgesehen von Südkorea arbeiten pro Arbeitnehmer in keinem anderen Land mehr Roboter in Industrieunter nehmen als hierzulande.



7 Bewegungen und Freiheitsgrade

Wie flexibel ein Roboter sein muss, hängt von seinem Einsatz ab. Die Spanne reicht von einer einfachen Vor- und Zurückbewegung in einer Werkzeug-maschine bis zu Systemen im Weltraum, die sich in alle Richtungen bewegen. Wie komplex ein Roboter gebaut und programmiert werden muss, hängt von der Menge an Sensoren, Aktoren und Bewegungsmöglichkeiten ab. Die Bewegungsmöglich keiten werden durch die Anzahl der Freiheitsgrade fest-gelegt. Die Kinematik eines Roboters bestimmt seine Bewegungen.

1. Unter „mechanischen Freiheitsgraden“ versteht man die Anzahl der Bewegungsrichtungen, mit denen sich ein System bewegen kann.

a) Skizziere ein Objekt mit zwei Freiheitsgraden in den Rahmen.

b) Schreibe die Anzahl der Freiheitsgrade zu jedem Teil.

Pendel einer Standuhr

Scharnier Ring am Finger

Fingerendgelenk

Kugelgelenk Zug Rakete

c) Zähle weitere bewegliche Alltagsgegenstände auf und nenne jeweils die Anzahl der Freiheitsgrade.

d) Begründe, wie viele Freiheitsgrade ein Roboter benötigt, der …… Wasser in eine Flasche abfüllt.

… Schweißpunkte bei einer Autokarosserie setzt.

… Gegenstände greifen und an einem anderen Ort ablegen kann.

e) Wie viele Freiheitsgrade hat ein Mensch?

7 BEWEGUNGEN UND FREIHEITSGRADE 41


2. Die Bewegungsmöglichkeiten eines Roboters oder Lebewesens werden durch die jeweiligen Achsen und Gelenke bestimmt.

a) Zeichne die jeweiligen Freiheitsgrade in die vier abgebildeten Gelenke ein.

Scharniergelenk Rad- und Zapfengelenk Kugelgelenkplanes Gelenk

b) Vergleiche die verschiedenen Gelenke von Menschen und technischen Anwendungen und finde zueinander passende Beispiele.

Mensch technische Anwendung

c) Welche Gelenke gibt es in der Technik, die es bei Menschen und Tieren nicht gibt?

d) Überlegt im Team: Wie viele Achsen und Gelenke benötigt man mindestens, um einen Knickarmroboter bauen zu können? Skizziert eure Ideen.

3. Roboter werden in der Regel über Elektromotoren be-trieben. Damit ein Roboterarm sich sowohl schnell als auch langsamer bewegen kann, sind in den meisten Gelenken Getriebe verbaut.

a) Benenne die einzelnen abgebildeten Getriebe und zeichne die Drehrichtung ein, beginne bei der Antriebs kurbel.

b) Welche Getriebe eignen sich für folgende Roboter-aufgaben:

– Drehen um 360°?

– Greifen eines Gegenstandes?

– Vor- und Zurückfahren auf einer Schiene?

*

Antriebskurbel



GANZ UNTEN UND WEIT OBEN …

Den mit fast 11 Kilometer unter der Wasseroberfläche tiefsten Punkt der Erde – den Marianengraben vor der Ostküste Amerikas – hat als erster Roboter der japani-sche Tauch-Automat Kaiko im Jahr 1995 erreicht. Es ist rau für Technik in der Tiefsee: Unter Wasser ist es fins-ter, das Meer drückt auf jeden Quadratzentimeter mit dem Gewicht eines Autos und Strömungen können die elektronischen Taucher so durcheinanderwirbeln, dass die Koordination der Freiheitsgrade eine echte Heraus-forderung wird. Reizvoll ist es da unten trotzdem, denn es warten Schätze auf ihre Erkundung.

In Zukunft sollen Weltall- und Tiefseeroboter vonei-nander lernen. Unter dem Namen „Robex“ arbeiten deutschlandweit 16 Forschungsinstitute zusammen. Ihr Ziel: Roboter für den Einsatz in Extremsituationen noch besser zu machen. Egal ob weit unten im Meer oder weit oben im All.


4. Die Kinematik eines Roboters bestimmt seine Bewegung. Dabei ist entscheidend, wie die Gelenke miteinander verbunden sind.

a) Recherchiere die Begriffe „serielle Kinematik“ und „Parallelkinematik“. Welche Vorteile haben die jeweiligen Kinematiken?

b) Welche Kinematik liegt den folgenden Robotern bzw. technischen Systemen zugrunde?

c) Begründe, welche Kinematik du beim Bau der folgenden Roboterarme verwenden würdest.

Roboterarm, der Weltraummüll auffangen muss

Roboter, der Leiterbahnen für Platinen lötet

Roboter, der ein Weltraumteleskop steuert

d) Eine besondere Form der Parallelkinematik ist ein Hexapod. In der Medizin werden Operationsroboter oft in Hexapodenbauform verwendet. Woran könnte das liegen?

*

1 2 3 4

8 AKTOREN WANDELN INFORMATIONEN 43


8 Aktoren wandeln Informationen

Aktoren sind Antriebselemente, die Signale von einer Steuerungs einheit in eine physikalische Größe umsetzen. In der Robotertechnik werden Aktoren in der Regel dazu verwendet, elektrische Signale vom Steuercomputer in kinetische Energie für Bewegungen umzuwandeln.

1. Nenne vier verschiedene Aktoren und ihre mögliche Anwendung (du kannst dich an den Abbildungen oben orientieren).

Beispiel für einen Aktor Anwendung aus dem Alltag

2. Benenne die abgebildeten elektrischen Geräte. Welche Art von Aktor könnte jeweils verbaut sein? Beschreibe, in welcher Weise die eingesetzten Aktoren arbeiten und wo sie verwendet werden können. Recherchiere gegebenenfalls im Internet.



3. Ein wichtiger Aktor in der Robotertechnik ist ein Servo- bzw. Stellmotor, kurz als Servo bezeichnet. Servos bestehen aus dem Verbund von Ansteuerungs- und Antriebseinheit, also z. B. Elektromotor und Steuerelektronik. Recherchiere und beantworte die folgenden Fragen.

a) Was ist das Besondere an Servos und wo werden sie eingesetzt?

b) Beschreibe die Funktion der drei Anschlüsse schwarz, rot und gelb im oben abgebildeten Servomotor.

c) Für was steht „PWM“ und wofür wird dies genutzt?

4. Für das PWM-Signal wird in der Regel ein 50-Hz-Signal mit 20 ms Periodenlänge verwendet. Dabei wird der Servoarm zwischen 0,1 und 0,5 Millisekunden auf den linken Anschlag (0 Grad) und 2 und 3 Millisekunden auf den rechten Anschlag (180 Grad) auf High-Pegel bewegt. Den Rest der Periodenlänge ist das Signal auf Low-Pegel.

Zeichne die drei Perioden für die abgebildeten Positionen des Servoarms in das Diagramm ein.

10 ms 20 ms 30 ms 40 ms

0°

90°

180°

8 AKTOREN WANDELN INFORMATIONEN 45


5. Ein Servo ist als elektromechanischer Regelkreis aufgebaut. Anhand des folgenden Schemas und der Beschreibung lässt sich seine Funktionsweise erklären.

*

– Das PWM-Eingangssignal (1) wird vom Vergleicher (2) mit der Spannung verglichen, die das Endpotenzio meter (4) liefert.

– Stimmen die Werte überein, ist die Servoposition korrekt und der Servo hält den Winkel. Stimmen die Werte nicht überein, setzt der Vergleicher (2) über den Verstärker den Motor (3) in Gang.

– Der Motor (3) treibt das Getriebe (5) an, dessen Endachse mit dem Potenziometer (4) verbunden ist.

– Die Endachse dreht den Servoarm (6) und mit ihr das Potenziometer (4).

– Sobald die rückgeführte Potenziometerspannung mit dem PWM-Signal übereinstimmt, ist der korrekte Winkel er-reicht und wird vom Servo automatisch gehalten.

GEFÜHLVOLL IM HAUSHALT:

ROBOTER WERDEN EMOTIONAL

Rasenmähen und Staubsaugen können Roboter im Haushalt schon. Doch längst arbeiten Ingenieure an der nächsten Stufe: Mit „Pepper“ ist seit kurzem ein Roboter auf dem Markt, der ganz gezielt als persönlicher Helfer angeboten wird. Pepper begleitet, gibt Ratschläge, weist Wege und geht im Gespräch auf die Grundstimmung seines Gegenübers ein, weil seine Software die Mimik und Gestik erkennt. An Verkaufstheken und in öffent-lichen Gebäuden in Japan steht der freundliche Geselle heute schon. Auch im Weltall wird künstliche Intelligenz seit kurzem getestet: Mit CIMON

schwebt ein elektronischer Kumpel durch die Internationale Raumstation, erzählt den Astronauten Witze, hilft bei Routineaufgaben und kleinen Prob-

lemen und sorgt für ein gutes Miteinander.

Glaubt man den Visionären, sollen emotionale „personal robots“ bald Babies hüten oder alten Menschen im Haushalt zur Hand gehen. Das sehen nicht alle positiv, einige Forscher warnen bereits: Wenn auch noch die zwischenmensch-lichen Beziehungen von Robotern übernommen werden – was sind echte Freundschaft, Mitgefühl und Vertrauen dann noch wert?

Zeichne mit den untenstehenden Komponenten ein Blockschaltbild des Funktionsablaufs im Servo. Umrande die Elektronik grün und die Mechanik blau.

12

4

3

5

6

Vergleicher

Potenzio- meter

PWM- EingangGetriebe Servoarm Verstärker

Motor

GEFÜHLV

OBOTER

senmähenängst arbekurzem eiangeboteim GesprSoftwarelichen Geim Weltal

schwebt erzählt den

men und so

ubt man dhüten oder alt

i i i i

RO

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Glahüt



9 Mobile Systeme

Die meisten Industrieroboter befinden sich an einem festen Platz und arbeiten in einer strukturierten und kontrollierbaren Umgebung. Mobile Systeme unter-scheiden sich davon grundlegend: Sie können ihren Standort ändern und benötigen deswegen mehr Sensoren und komplexere Programmierungen. Die Spanne reicht von einfachen Transportaufgaben bis hin zu Erkundungsrobotern auf fremden Planeten. Häufig werden sie in Umgebungen eingesetzt, die für den Menschen zu gefährlich sind.

1. a) Erkundige dich, in welchen Bereichen bereits mobile Roboter eingesetzt werden. Finde mindestens fünf verschiedene Bereiche.

b) Die Abbildungen zeigen unterschiedliche mobile Roboter. Welche Gemeinsamkeiten und Unterschiede weisen diese mobilen Roboter auf?

1) 2) 3) 4)

2. Plant in einer Kleingruppe einen mobilen Roboter, der die Tafel automatisch wischen kann. Beschreibt, welche Komponenten das System enthalten muss und fertigt eine Konstruktionszeichnung an.

Gemeinsamkeiten Unterschiede

9 MOBILE SYSTEME 47


3. Das Hauptproblem für mobile Roboter ist die Orientierung. Es werden zwei grundlegende Verhaltensmuster bei mobilen Robotern unterschieden, die Weltmodellierung und die Verhaltensprogrammierung.

a) Informiere dich über die beiden Verhaltensmuster „Weltmodellierung“ und „Verhaltensprogrammierung“. Nenne jeweils ein Beispiel.

b) Entfernungssensoren eines Mars-Rovers lieferten die Messdaten aus dem nebenstehenden Diagramm. Überlege, wie die gemessene Umgebung aussehen könnte. Zeichne anschließend eine Bahn in die Skizze, die der Ro-boter geplant fahren wird.

c) Gegeben ist die unten abgebildete Raumaufteilung. Der Roboter (links oben) soll den markierten Punkt im rech-ten Raum 3 erreichen. Skizziere einen möglichen Weg mit der Welt modellierung (links) und der Verhaltensprogrammie-rung (rechts). Begründe, welche Programmierung für diesen Fall sinnvoller ist.

BERÜHMT UND GANZ WEIT DRAUSSEN –

ROBOTER SIND IM WELTALL WEIT GEKOMMEN

13 Kilometer hören sich nicht gerade viel an – auf dem Mars sind sie der Distanz-Weltrekord. Seit 2012 schiebt sich der Marsroboter „Curiosity“ über die Oberfläche unseres roten Nachbarplaneten, entnimmt Bodenproben, analy-siert Gesteinsformationen und sendet – wie ein Weltraumtourist – spektakuläre Bilder zurück zur Erde. Damit ist er der Roboter, der am weitesten von der Erde entfernt Dienst tut. Allerdings nur, wenn man sich auf Roboter beschränkt, die sich auf Planeten bewegen. Unbemannte, fliegende Sonden gibt es noch viel weiter draußen: Mit mehr als 20 Milliarden Kilometer Entfernung von der Erde hält die Sonde „Voyager 1“ derzeit den Entfernungsrekord und ist mit über 40 Jahren gleichzeitig auch der Robo-Opa im Weltall. Weil die Energie langsam zur Neige geht, wird aber wohl im Jahr 2030 Schluss sein mit dem Kontakt zur Erde. Von da an wird Voyager allein durchs All rasen – mit fast 50 000 Kilo-metern pro Stunde, auf zu neuen Welten.

Raum 1 Raum 1

Raum 2 Raum 2

Entf

ernu

ng

Winkel

Sensordaten

XX

X

X X

X

X

X

Raum 3 Raum 3

48 MODUL 3: ROBOTIK-SYSTEME HANDELN SELBSTSTÄNDIG


10 Grundlagen der Maschinen- und Robotertechnik

Bereits seit dem 14. Jahrhundert wird der Begriff „roboten“ im Deutschen verwendet. Aus dem slawischen Wort robota wurde der Begriff für „Fron-arbeit“ abgeleitet. Die technische Assoziation des Begriffs „Roboter“ erfolgte Anfang des 20. Jahrhunderts durch ein Theaterstück, in dem „Maschinen-gehilfen“ als Roboter bezeichnet wurden. Seitdem nennt man solche Appara-turen Roboter, die dazu dienen, dem Menschen auf der Erde und im Weltraum mechanische Arbeit abzunehmen.

1. a) Bezeichne die Bereiche Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe. Welche elektrischen Bauteile könnten jeweils verwendet worden sein? – Ergänze.

b) Maschinen bestehen aus vielen einzelnen Funktionselementen (Bauteilen), die in Baugruppen zusammengefasst sind. Beschrifte den Roboterarm mit den Bezeichnungen der dargestellten Baugruppen und den zugehörigen Funktionselementen nach dem vorgegebenen Beispiel.

Antriebsteil, Arbeitsteil, beweglicher Arm, Elektromotor, Fernbedienung, Fräser, Gehäuse, Kabelschutz, Sicherheitsteil, Steuerteil, Trägerteil, Übertragungsteil

mögliche Aktoren:mögliche Sensoren:

mögliche Steuerungsbauteile:

Sicherheitsteil

Kabelschutz

10 GRUNDLAGEN DER MASCHINEN- UND ROBOTERTECHNIK 49


2. a) Getriebe sind eine grundlegende mechanische Komponente von Robotern und Maschinen. Beschreibe die Funktionen von Getrieben.

b) Recherchiere, welche unterschiedlichen Getriebearten es gibt und beschreibe die jeweiligen Eigenschaften. Nenne jeweils ein Beispiel.

3. Jeder der abgebildeten Gegenstände enthält eine andere Getriebeart. Ergänze die Abbildungen entsprechend dem Beispiel.

Bohrmaschine: Zahnradgetriebe; kompakt, robust, wartungsarm, laut

EIN TSCHECHISCHER SCHRIFTSTELLER ERFAND

DAS WORT „ROBOTER“

Bis Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts hießen Roboter noch gar nicht so, sondern Automaten oder „selbsttätige Maschinen“. Dank Feinmechanik, Zahn-rädern, Seilzügen und Federn bewegten sie sich faszinierend, scheinbar gefühl-voll und waren als Uhren, Puppen und bewegliche Masken eine Attraktion. Es war der tschechische Autor Karel Čapek, der das Wort „Roboter“ 1920 erfand. Sein Theaterstück „Rossums Universal Robots“ handelt von einem Unterneh-men, das künstliche Menschen als billige, rechtlose Arbeiter herstellt. In Čapeks Muttersprache bedeutet „robota“ unterwürfiger Diener. Am Ende rebellieren die Kunstmenschen, übernehmen die Macht und richten die Menschheit zu-grunde – eine Schreckensvision, die auch heute in den Debatten um Roboter-technik und künstliche Intelligenz immer wieder auftaucht.



5. a) In welche Richtung drehen sich die Zahnräder? Zeichne ein.

b) Beschreibe die Drehgeschwindigkeiten und die Drehkraft (Drehmoment) der Zahnräder.

A

B

C

6. Grundlage für die Berechnung des Drehmoments ist das Hebelgesetz. Das Drehmoment M ist das Produkt aus einer am Umfang des Zahnrads wirkenden Kraft F und dem Abstand r zwischen Drehpunkt des Zahnrads und Wirkungspunkt der Kraft.

a) Auf einer Welle befinden sich zwei unterschiedlich große Zahnräder (d1 = 10 cm; d2 = 5 cm). Am Umfang beider Stirnräder wirkt eine Kraft von 1000 N.Wie groß ist das jeweils wirkende Drehmoment M in Nm (M = F · r)?

Kraft F in N Radius r in m Drehmoment M in Nm

F1 = 1000 r1 = 0,05

F2 = 1000 r2 = 0,025

b) Welchen Einfluss hat der Zahnraddurchmesser auf das Drehmoment?F1 F2

r2r1

4. Wellen übertragen Bewegungen und Kräfte direkt vom Antrieb zum Abtrieb. Das Wort „Welle“ kommt von Walze und tatsächlich erinnern Wellen an stangenartige Bauteile, die sich „wälzen“. Benenne die abgebildeten Wellen und beschreibe ihre Funktion.

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

A B C

Z 1Z 2 Z 3

Z 4Z 5

Z 6

Z 7

11 FUNKTIONSWEISE VON MIKROCONTROLLERN 51


VOLL ANALOG:

ERIC, DER ERSTE ROBOTER-STAR DER WELT

Die digitale Welt mit Mikrocontrollern und Speichern hat zum Siegeszug der Roboter geführt. Doch der erste große Robo-Star war noch ganz ana-log. Eric, der Roboter, eröffnete 1928 mit einigen kantigen Bewegungen die Ausstellung der Londoner Modellbaugesellschaft, hielt eine vier-minütige, blecherne Rede – und wurde zum Star. Auf Touren durch Europa, die USA und Australien begeisterte er danach die Menschen und machte seinen Erfinder, einen englischen Tüftler, stolz und reich. Laufen konnte Eric nicht, aber sitzen, aufstehen und Fragen beantworten – eine Sensation in einer Zeit ohne Rechner und Mikrochips. Wie er genau funktionierte, hat sein Erfinder übrigens nie verraten. Gut möglich, dass er ein paar tech-nische Innovationen vorweg (und mit ins Grab) genommen hat.


11 Funktionsweise von Mikrocontrollern

Der Computer der Apollo-11-Mission verfügte über einen 1-MHz-Prozessor mit einem Speicher von 32 KB und einem Gewicht von rund 32 kg. Heutige Mikrocontroller (MC) überbieten diese Leistung um ein Vielfaches und wiegen dabei nur einen Bruchteil.Ein Mikrocontroller ist das „Gehirn“ eines Roboters: Der MC verarbeitet alle Signale und steuert den Roboter. Mikrocontroller sind heute in sehr vielen elektrischen Geräten verbaut und können auf verschiedene Arten program-miert werden.

1. a) Worin unterscheidet sich der Mikrocontroller vom Mikroprozessor?

b) Nenne Vor- und Nachteile von Mikrocontrollern gegenüber stationären Computern.

2. Recherchiere alles Wissenswerte über Mikrocontroller. Beachte dabei besonders folgende Fragen:

Aus welchen Einzelbausteinen besteht ein Mikrocontroller? Welche Aufgaben haben diese Bauteile innerhalb des Mikrocontrollers? Worin unterscheiden sich die verschiedenen Typen von Mikrocontrollern?

Vorteile Nachteile



3. Es gibt mittlerweile eine Reihe von Mikrocontrollern, die kostengünstig und einfach zu programmieren sind.

a) Informiere dich über die unterschiedlichen Pins und deren Belegung; hier am Beispiel des Arduino UNO. Ergänze das Bild entsprechend.

b) Mit einem solchen Mikrocontroller lassen sich viele Aufgaben lösen, z. B. Blinkschaltung, Melodie spielen, Morse-Signale senden, Laufschrift anzeigen, Servomotor steuern, Thermometer programmieren …

Weitere Vorschläge und Hinweise zur Durchführung (inklusive Programm) findet man z. B. unter https://space2school.de/arduino

Bildet Gruppen und entscheidet euch für die Umsetzung einer Aufgabe. Findet heraus, welche zusätzlichen Bauteile ihr für eure Aufgabe benötigt und wie diese auf einem Steckbrett anzuschließen sind.

4. Baut im Team einen Mikrocontroller-Roboter, der die unten stehenden Aufgaben a) bis c) löst.

Erstellt vorher für jede einzelne Roboteraufgabe1. eine Liste mit den Bauteilen, die ihr benötigt,2. eine Pinbelegung, wie die Bauteile am Mikrocontroller anzuschließen sind,3. einen groben Ablaufplan des Programms.4. Programmiert den Roboter, wenn ihr bereits Erfahrung darin habt.

Beispiel: Eine LED leuchtet, wenn sich ein Gegenstand in 1 m Entfernung befindet.

1. Bauteile: z. B. Arduino, Ultraschall-Distanzsensor, LED

2. Sensor: PIN 12 und 13, LED: PIN 11

3. Sensor sendet Signal Signal auswerten wenn Signalwert kleiner als Grenzwert: LED an, ansonsten LED nicht an wiederholen

a) Der Roboter fährt geradeaus, bis er auf ein Hindernis stößt. Dann bleibt er stehen und es leuchtet ein Licht.

b) Der Roboter misst die Temperatur und steuert einen Lüfter. Der Lüfter schaltet sich bei 50 °C ein und bei 150 °C wieder aus. Die aktuelle Temperatur wird an einem Display angezeigt.

c) Der Roboter folgt einer Lichtquelle. Dabei hält er einen Mindestabstand zur Quelle ein.

*

12 HOHE FREQUENZEN FÜR ROBOTER – DIE HF-TECHNIK 53


12 Hohe Frequenzen für Roboter – die HF-Technik

Möchte man Informationen von Robotern erhalten oder an sie schicken, so verwendet man dazu die Funktechnik. Vor allem mobile Roboter kommunizie-ren nicht über ein Kabel, sondern mithilfe sogenannter Hochfrequenz-Technik (HF-Technik). Ähnlich wie Radio- oder Fernsehsender nutzen Roboter elektro-magnetische Wellen zur Übermittlung von Informationen. Nicht nur für die Kommunikation mit Robotern vor Ort nutzt man die HF-Technik, sondern auch für sehr weit entfernte Roboter im Weltraum oder auf fremden Planeten.

1. Die Abbildung zeigt den typischen Aufbau eines Senders von elektromagnetischen Wellen.

a) Ordne die folgenden Sätze, indem du die Ziffern (1) bis (5) in der korrekten Reihenfolge einträgst.

Die veränderten Schwingungen werden auf die Sendeantenne übertragen.

In einem Generator werden elektromagnetische Schwingungen sehr hoher Frequenz erzeugt.

Die Antenne strahlt das Signal aus.

Die hochfrequenten Schwingungen werden gemäß dem Verlauf der niederfrequenten Informa-tionsschwingungen in einem Schwingkreis verändert (Modulation).

Die Information (Sprache, digitale Befehle …) wird in elektrische Schwingungen umgewandelt.

b) Ein Empfänger ist ähnlich aufgebaut. Beschreibe die Vorgänge in einem Empfänger analog zum Sender.

Schwingkreis

Ant

enne

Signal

(elektro-

magnetische

Wellen)Informations-schwingungen

hochfrequenteSchwingung

Generator

Mikro-fon

Verstärker

Signal

(elektro-

magnetische

Wellen)

Schwingkreis

Ant

enne

Informations-schwingungen

Verstärker

Laut-sprecher



2. Einen Empfänger kann man ganz leicht selber bauen. Du benötigst:

Eine Klopapierrolle, ca. 20 m Draht (mit Kunststoffisolierung), ca. 9 m Kupfer-lackdraht (0,8 mm dick), eine Germanium- Diode, Tesafilm, eine Nagelfeile oder Schleifpapier, Gummi band, Kopfhörer.

Überlege mithilfe von Aufgabe 1, wie man mit diesem Material einen Empfänger bauen könnte. Informiere dich ggf. im Internet und baue den Empfänger. Anschließend experimentiere mit deinem Empfänger und versuche beispielsweise eine Radiofrequenz einzustellen.

3. Das eigentliche HF-Signal setzt sich aus einer Informationsschwingung und einer Trägerschwingung zusammen. Dabei gibt die Informationsschwingung die äußere Form des gesendeten Signals wieder. Gegeben sind jeweils eine Informationsschwingung (rot, oben) und eine Trägerschwingung (blau, darunter). Wie sehen die gesendeten Schwingungen aus? Trage sie jeweils in das untere Koordinatenkreuz ein.

VORBILD AMEISEN: IN SCHWÄRMEN SOLLEN

ROBOTER NOCH LEISTUNGSFÄHIGER WERDEN

Wer etwas baut, hat in der Regel einen Plan. Viele arbeiten an unterschied-lichen Stellen und es gibt immer jemanden, der den Überblick hat. Das ist bei Termiten, den großen Ameisen, anders: Da weiß kein Tier, was das andere tut und auch die Königin gibt keine Anweisungen. Die Ameisenhügel entstehen durch wenige Grundregeln, an die sich alle halten. Dieses Schwarmprinzip versuchen Forscher auch bei Robotern anzuwenden – mit Erfolg. Eindrucksvolle Türme entstehen durch folgende Grundregeln: „Umkreise einen Haufen Bau-steine bis du einen einzelnen Baustein findest, nimm ihn auf, klettere soweit wie möglich nach oben, befestige den Baustein wenn er passt, klettere wieder hinunter und wiederhole das Ganze.“ Mit mehr Regeln sind auch komplizierte Bauten möglich. Auf diese Weise sollen Schwarmroboter in Zukunft Dämme bei Hochwasser reparieren oder Gebäude auf dem Mars errichten.

Am

plitu

deA

mpl

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Am

plitu

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Zeit

Zeit

Zeit

Am

plitu

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Am

plitu

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Zeit

Zeit

Zeit

Am

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Am

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Zeit

Zeit

Zeit

a) b) c)

Spulende

DiodeAbnehmer

Antennenende

Erdungs- kabel

Informationsschwingung

Trägerschwingung

HF-Signal

12 HOHE FREQUENZEN FÜR ROBOTER – DIE HF-TECHNIK 55


4. Funksignale werden auf unterschiedlichen Frequenzen gesendet. Der Sprechfunk von Astronauten ist z. B. über 143618 MHz zu empfangen. Mit einem DVB-T-Stick, einer Antenne und einem Computer kannst du den Funkverkehr der ISS mithören. Dazu musst du wissen, wann sich die ISS über dir befindet, dabei hilft die Seite https://space2school.de/SpotTheStation

a) Informiere dich, welche unterschiedlichen Frequenzbänder es in Europa gibt. Liste die Frequenzen und die Anwendungen auf.

b) Beschreibe den Unterschied zwischen den Radiofrequenzbändern FM, AM und MW.

c) Welche Frequenzen sind für Handys vorbehalten?

5. Ein Roboter bewegt sich frei auf einem Gelände. Der Abstandsradarsensor registriert 0,000001981 Sekunden nach Aussenden sein von einem Hindernis zurückgeworfenes Signal. Berechne, wie weit vom Roboter entfernt sich das Hindernis befindet.



13 Fernsteuerungen

Wie fühlt es sich an, in einem irdischen Kontrollzentrum zu sitzen und einen Roboter auf einem fremden Planeten zu steuern? Wie lässt sich über viele Kilometer hinweg eine Versorgungskapsel an der ISS andocken? – Einige Roboter-systeme erfordern das Eingreifen des Menschen. Deswegen benötigt ein Roboter Vorrichtungen, die beim Bedienenden ein „Vor-Ort-Gefühl“ erzeugen. Diese sogenannte Tele-präsenz ist eine Art Symbiose von Mensch und Maschine.

1. In vielen Bereichen werden Maschinen von Menschen ferngesteuert. Nenne einige Beispiele.

2. Wenn ein Mensch eine Handlung indirekt über die Steuerung einer Maschine durchführt, gibt es einige Herausforde-rungen. Überlegt euch in Kleingruppen, welche Probleme bei den beiden gezeigten Beispielen auftauchen könnten und beschreibt diese.

13 FERNSTEUERUNGEN 57


3. Wie komplex das „Steuern aus der Ferne“ ist, sollt ihr nun selber testen. Nehmt zwei Smartphones und geht in getrennte Räume. Baut eine gemeinsame Skype-Verbindung auf (funktioniert auch mit Telefongespräch). Ein Teilnehmer gibt Steuerungsbefehle aus, der andere führt sie aus. Der Steuernde versucht durch Befehle den Gesteuerten auf einer bestimmten Bahn durch den Raum zu führen.

Lasst jeweils von einem Protokollanten aufschreiben, was die Hauptprobleme waren und überlegt, wie man sie bei einem zweiten Versuch lösen könnte.

4. Als eine Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts gilt die Telepräsenz. Diese geht weit über das rein optische Erfassen einer Umgebung hinaus.

a) Informiere dich über den Begriff und erkläre ihn mit eigenen Worten.

b) Was sollte ein Roboter können, um einen möglichst genauen Eindruck der Situation vor Ort zu liefern?

c) In der Raumfahrt werden Systeme mit Telepräsenz-Technologie eine immer wichtigere Rolle spielen.Wo müssen Astronauten derzeit noch Systeme von Hand steuern?

d) In der Schwerelosigkeit haben Menschen eine verminderte Hand-Auge-Koordination. Dies führte zu Problemen mit einer herkömmlichen Steuerung.

Recherchiere, wie der Kontur-2-Joystick des DLR (siehe Foto zu Aufgabe 4) dieses Problem auf der ISS zu beheben versucht.



5. Eine besondere Form der Fernsteuerung sind sogenannte Exoskelette.

a) Welche Vorteile hat ein Exoskelett gegenüber einer klassi-schen Fernsteuerung mit Joystick und Hebeln?

b) In welchen Aufgabenbereichen liegt die Hauptanwendung solcher Systeme?

c) Früher wurden mit Exoskeletten sogenannte Master-Slave-Manipulationen durchgeführt – das Exoskelett (Slave) hat genau die Bewegungen des Menschen (Master) ausgeführt. Heute besitzen Exoskelette zusätzlich zu den Steuereinheiten kleine Elektromotoren, die den Bedienenden eine Rückmeldung z. B. über den Kraftaufwand des Roboterarms geben. Welche Vorteile bringt das?

6. Roboter können auch auf besondere Art ferngesteuert werden. Betrachte das Video https://space2school.de/EDAN.Bildet eine Partnergruppe und entwerft eine kleine Präsentation, die folgende Fragen klärt:– Welche zwei besonderen Arten von Fernsteuerungen werden vorgestellt?– Wie funktionieren diese beiden Steuerungen?

ROBO WINZIG: HABEN WIR BALD

MINIROBOTER IM BLUT?

Einen Nobelpreis hat die Zukunftsvision bereits: 2016 wurde der belgische Forscher Ben Feringa für die Kon-struktion eines winzigen Vehikels ausgezeichnet, das in der Lage ist, im Körper eines Menschen zu manövrieren. Es ist nur Milliardstel Meter groß und bewegt seine winzi-gen Räder durch Licht. Womöglich lassen sich mit diesem Fahrzeug eines Tages ferngesteuert Tumore bekämpfen oder Medikamente an bestimmten Stellen deponieren. Andere Ideen sind kleine, schraubenförmige Würmer, die von Magneten angetrieben werden oder Nanoroboter, die mit mikroskopischen Flossen gezielt zu Entzündungen im Körper paddeln, um sie zu bekämpfen. Bisher sind das alles aber Zukunftsvisionen, die lediglich im Labor getestet werden.

14 AUTONOME SYSTEME 59


14 Autonome Systeme

Intelligente Systeme, welche selbstständig agieren, werden künftig dem Menschen in vielen Lebensbereichen Entscheidungen abnehmen. Autonome Systeme, z. B. selbstlenkende, fahrerlose Fahrzeuge, die Waren oder Personen transportieren, werden höhere Sicherheit, Zeit- und Energieersparnis mit sich bringen. Fahrten in schwierigen Einsatzgebieten, z. B. in Krisenregionen, im Weltraum oder an Gefahrenstellen, werden fahrerlos und auch ohne Fern-bedienung erfolgen.

1. Im Jahr 2016 beschrieb Elon Musk, ein visionärer Unternehmer, die Zukunft des Automobils folgendermaßen: „Ich glaube, in ferner Zukunft ist es dem Menschen verboten, ein Auto zu lenken, weil es zu gefährlich ist“.

Recherchiere, in welche Stufen das autonome Fahren unterteilt wird und ergänze die Liste entsprechend.

Level Klassifizierung des autonomen Fahrens

0

1

2

3

4

5

2. Unter dem folgenden Link findet ihr einen Beitrag über autonome Ortungssysteme:https://space2school.de/range

Formuliert in Partnerarbeit die wichtigsten Aussagen des Artikels in eigenen Worten und bereitet ein kleines Referat vor (Dauer ca. 2 Minuten), das ihr vor der Klasse / euren Eltern / Freunden halten könnt.



FUSSBALL DIGITAL:

KICKEN WIR BALD GEGEN ROBOTER?

Nach den Vorstellungen der Wissenschaft sollen 2050 Roboter in der Lage sein, bei der Fußball-WM gegen echte Kicker mitzuspielen. Heute üben sie schon und beim Robo-Cup treten sie gegeneinander an. Dem Menschen fußball am nächsten kommt die „Standard Platform League“. Alle Mannschaften haben dort die gleichen Roboter; es gewinnt das Team, das die elektro-nischen Kicker besser programmiert. Zur Zeit sind sie aber eher noch Kreisklasse als Bundesliga. Selbst im Wett-kampf wanken statt rennen sie zum Ball, legen dort eine gemächliche Rechenpause ein, bevor sie schießen – und fallen oft noch um. Was einen guten Fußballer ausmacht – Beweglichkeit, Sprintstärke, Effizienz und Überblick – ist für Roboter derzeit noch mehr Wunsch als Wirklichkeit.


3. Mobile autonome Systeme lassen sich in vielen Bereichen einsetzen.

a) Sortiere die abgebildeten Systeme nach zunehmendem Komplexitätsgrad ihrer Autonomie (Ziffern von 1 bis 6 in die Kreise eintragen). Überlege dabei, welche Herausforderungen das jeweilige System zu meistern hat.

Vergleiche deine Lösung mit derjenigen deines Banknachbarn / deiner Banknachbarin. Diskutiert, ob es eine eindeutige Lösung gibt.

b) Beschreibe für jedes System mögliche Sensoren und benenne, welche Funktionen sie erfüllen.

c) Recherchiere die rechtlichen Grundlagen für autonome Systeme: Was ist erlaubt bzw. nicht erlaubt? Wer trägt die Verantwortung bzw. ist haftbar?

15 MENSCH-MASCHINE-SCHNITTSTELLE 61


15 Mensch-Maschine-Schnittstellen

Technische Geräte werden immer über die Interaktion mit Menschen bedient. Diese Art der Kommunikation wird als Benutzerschnittstelle, als Mensch- Maschine-Schnittstelle (MMS) oder als Human Machine Interface (HMI) bezeichnet. Damit die Kommunikation möglichst effizient und fehlerfrei abläuft, muss die Mensch-Maschine-Schnittstelle ergonomisch und benutzer-freundlich den jeweiligen Bedürfnissen und Fähigkeiten des Bedienenden angepasst sein.

1. Beschreibe, in welcher Weise die Eingabe bei den folgenden Mensch-Maschine-Schnittstellen (MMS) geschieht und nenne Vor- oder Nachteile der jeweiligen MMS.

2. a) Welche ergonomischen Aspekte müssen bei der Entwicklung von modernen Mensch-Maschine-Schnittstellen berücksichtigt werden?

b) Recherchiere und beschreibe, was man unter „usability“ versteht.

62 MODUL 4: ROBOTIK-SYSTEME ERFÜLLEN EINEN BESTIMMTEN ZWECK


3. Die Abbildungen zeigen zwei verschiedene Möglichkeiten einen Roboterarm zu bedienen. Beschreibe, wie eine Eingabe in das System erfolgt und in welcher Weise die Rückmeldung vom System zum Anwender kommt.

Eingabe in das System

Rückmeldung vom System

4. Eine moderne Art der Dateneingabe einer MMS ist das „Eye-Tracking“.

a) Recherchiere, worum es sich hierbei handelt und was sich mit einem Eye-Tracking-System erfassen lässt.

b) Beschreibe Anwendungen, bei denen Eye-Tracking sinnvoll ist.

5. Eine moderne Art der Ausgabe einer MMS sind sogenannte VR- oder AR-Systeme.

a) Recherchiere, worum es sich hierbei handelt.

b) Nenne verschiedene Anwendungen der beiden Bereiche.

c) Welche Hardware wird benötigt, um etwas mit VR- oder AR-Unterstützung darzustellen?

d) Lade die App „Space 4D“ auf ein Smartphone oder Tablet und drucke die be-nötigten Sterne, Planeten und Raumfahrzeuge auf den Karten mit einem Drucker aus. Experimentiere mit dem Programm und den Bildern. Beschreibe, was die Augmented Reality erzeugt.

*

15 MENSCH-MASCHINE-SCHNITTSTELLE 63


6. Entwickle ein Zukunftsszenario, wie die Steuerung von Computern und die Darstellung von Informationen in 20 Jahren aussehen könnte. Erstelle hierzu ein Poster mit den dargestellten Feldern.

7. Die Auswirkungen moderner Mensch-Maschine-Interaktionen im privaten, öffentlichen und beruflichen Bereich sind momentan noch nicht abschätzbar. Studien belegen jedoch, dass 50 % aller Berufe automatisierungsgefährdet sind.

Beschreibe, was die Entwicklung des Zusammenspiels von Menschen und Maschinen für die Arbeitswelt bedeuten könnte.

8. Wähle einen der folgenden Links aus und schaue dir den dahinterliegenden Film an. Fasse deine Eindrücke zusammen und beschreibe mögliche Auswirkungen auf den Menschen.https://space2school.de/robotichttps://space2school.de/SmartGlasses

*

VERLIEBEN WIR UNS IN ZUKUNFT IN ROBOTER?

Je intuitiver, emotionaler, kommunikativer und scheinbar menschlicher die Schnittstellen zu den Maschinen werden, umso mehr werden Roboter zu unserem Alltag gehören – ähnlich wie Freunde oder Familie. Und umso wahr-scheinlicher wird es sein, dass echte Menschen Gefühle für Maschinen hegen. Im Film „Her“ passiert das: Ein einsamer Autor verliebt sich Hals über Kopf in sein Betriebssystem. Psychologen und Soziologen sehen die Entwicklung kritisch – denn schließlich gelten die Gefühle am Ende doch nur Computer-programmen, die von einem Unternehmen und seinen Programmierern erdacht wurden. Welche Macht entsteht, wenn sich Millionen Menschen in ein Unternehmen verlieben, anstatt nur Produkte von ihm zu kaufen? Und wer garantiert, dass finanzstarke Internet-Unternehmen diese Macht dann nicht missbrauchen werden?

Mensch

Eingaben in ein System

Darstellung von Informationen

Auswirkungen auf bestehende Berufe: Auswirkungen auf neu entstehende Berufe:



16 Roboter als Helfer im Alltag

Neben Industrierobotern gibt es immer mehr Serviceroboter – Roboter, die Dienstleistungen für den Menschen erbringen. Was früher die Wasch-maschinen waren, sind heute die Staubsauger- oder Rasenmäherroboter. In immer mehr Bereichen des alltäglichen Lebens halten die Roboter Einzug – vom Spielzeug bis zur Pflegekraft im Krankenhaus. Diese Entwicklung wird radikale Einschnitte im Zusammenleben von Mensch und Maschine mit sich bringen.

1. Roboter als Helfer fasst man oft unter dem Begriff „Serviceroboter“ zusammen.Welche Eigenschaften müssen solche Roboter im Gegensatz zu ihren Kollegen in der Industrie oder Wissenschaft haben?Stelle die wichtigsten Eigenschaften beider Roboter-Systeme gegenüber.

Serviceroboter Industrieroboter

2. In welchen Alltagsbereichen werden bereits heute Roboter als Helfer verwendet?Nenne mindestens fünf Beispiele, die nicht nur aus dem Haushalt stammen.

16 ROBOTER ALS HELFER IM ALLTAG 65


3.

Führt zu diesem Thema ein Rollenspiel (Podiumsdiskussion) durch. Dafür benötigt ihr drei Befürworter (Segen) und drei Gegner (Fluch). Die Diskussion muss von einer Mitspielerin bzw. einem Mitspieler moderiert werden.

Mögliche Rollen wären:– älterer Mann bzw. ältere Frau nach einem Schlaganfall– Geschäftsführer/in eines Pflegeheims– Seelsorger einer Kirchengemeinde– Pfleger / Pflegerin in einem Altenheim– Hipster aus Berlin-Mitte– Mitglied der Ethikkommission des Bundestages– Mutter bzw. Vater zweier Kinder in einer ländlichen Gegend– Ingenieur/in von Robotersystemen– Angehörige eines bettlägerigen Menschen– Verkäufer/in im Supermarkt– Erzieher/in einer Kindertagesstätte

Notiert euch wichtige Stichpunkte auf Karten und führt das Rollenspiel durch. Die restlichen Schülerinnen und Schüler in der Klasse verfolgen die Diskussion und machen sich nach vorher verabredeten Kriterien Notizen.

4. Ein Serviceroboter arbeitet häufig direkt mit Menschen zusammen. Dabei hat er mehrere Aufgaben gleichzeitig zu erfüllen. Damit er alle Anforderungen meistern kann, wird in seiner Programmierung eine Aufgabenpriorität festgelegt.

a) Schau folgendes Video an: https://space2school.de/RollinJustin

Welche Fähigkeiten hat Justin, die ihm eine Zusammenarbeit mit Menschen ermöglichen?

b) Justin soll in einem Restaurant Getränke servieren. Überlege, welche Aufgaben er zu erfüllen hat und schreibe sie in die Kästchen.Priorisiere die Aufgaben anschließend, indem du Ziffern einträgst.

Prio Aufgabe Prio Aufgabe

1 Keinen Menschen berühren

Einzug der Roboter in das Alltagsleben: Fluch oder Segen?



c) Serviceroboter sollten mit Menschen kommunizieren können. Basis dafür sind intelligente und selbstlernende Systeme, die als Künstliche Intelligenz (KI) bezeichnet werden. Informiere dich, was man unter KI versteht. Ist diese heute schon erreicht?

d) Du kennst sicher Sprachassistenten wie Alexa, Siri oder Google Home. Können diese Systeme bereits als KI bezeichnet werden?

5. Der Siegeszug der Roboter im Alltag geht auf Entwicklungen aus der Raumfahrt zurück. Begonnen hatte die Roboter-entwicklung mit der Suche nach einer „helfenden Hand“ auf einer Raumstation. So wurde ein universell einsetz barer Roboter arm entwickelt.

a) Der Durchbruch gelang durch Leichtbauweise und die damit verbundene Gewichtsreduktion. Ein Roboterarm wog früher bis zu 200 kg. Die neueste Entwicklung, der LBR III, wiegt nur noch 14 kg. Welche Vorteile bietet das stark reduzierte Gewicht des Arms?

b) Moderne Roboterarme sehen natürlich etwas anders aus als ihre Kollegen in Science-Fiction-Filmen. Neben einem an-sprechenden Design hat die Form in der Realität aber noch eine andere Funktion.Vergleiche einen alten Roboterarm (linke Abb.) mit einem Roboterarm aktueller Bauart (rechte Abb.). Welche Vorteile bietet das aktuelle Design?

EIN BLUTIGER JOB:

„DA VINCI“ IST EIN ARZT-ROBOTER

Die Vorstellung, sich auf dem Operationstisch einem Roboter anzuvertrauen, klingt abenteuerlich und befremdlich. In mehr als 3000 Kliniken in Europa und in den USA ist „Da Vinci“, ein automatisches Operationssystem, allerdings schon im Einsatz und operiert mehr als 650.000 Menschen jedes Jahr – meis-tens im Bauchraum, an der Prostata oder an Gefäßen. Ein echter Arzt sitzt während des Eingriffs an einer Konsole und steuert mit Joystick und Fußpe-dalen winzige Roboterarme im Innern des Patienten, die schneiden, nähen, sägen und bohren. Dank Vergrößerung und 3-D-Kamera im Bauchraum hat der Chirurg stets perfekte Sicht, die Software unterdrückt obendrein noch sein Zittern. Freilich: Der Robo-Doc ist bisher immer noch eher ein Werkzeug als ein Roboter. Die Verantwortung über Gesundheit und Leben des Patienten hat bislang der Mensch – und nicht die Maschine.

17 ROBOTER IN EXTREMEN SITUATIONEN 67

EINEN EXTREMBEREICH HABEN ROBOTER

LÄNGST EROBERT: DAS KINDERZIMMER

1936 war die Geburtsstunde der Spielzeugroboter, als eine Weißblech-dose mit Uhrwerk zum Geschenkeschlager wurde. Der erste echte Robo-ter für das Kinderzimmer war dann 1999 der Hund Aibo, dessen Erfinder Toshitada Doi eigentlich gar kein Spielzeug erschaffen wollte. Der Erfolg überzeugte ihn jedoch schnell: Binnen einer Woche wurden 135.000 der digitalen Hunde bestellt – trotz ihres stolzen Preises von über 2000 Euro. Seitdem ist das Grundprinzip gleich geblieben: Elektronik sorgt dafür, dass die Spielzeug-Robos sich sicher bewegen, Hindernissen ausweichen, Stimmen erkennen, auf ihren Namen reagieren, Gefühle ausdrücken und miteinander kommunizieren können. Heute gibt es viele hundert verschiedene Spielzeugroboter zum Kuscheln, Pflegen, Trainieren und Liebhaben. Und auch Aibo bellt seit 2017 in einer neuen Version weiter.


17 Roboter in extremen Situationen

Eine Hauptaufgabe von Robotern ist das Arbeiten an Orten, die für Menschen zu gefährlich sind. Dazu zählen Katas trophengebiete, der Weltraum oder die Tiefsee. Aber es helfen auch Roboter in Atomkraftwerken oder bei der Ent-schärfung von Sprengstoff. Diese Roboter benötigen spezielle Fähigkeiten, um ihre Aufgaben erfüllen zu können.

1. Die Abbildung zeigt den ersten Polizeiroboter der Welt. Er arbeitet in Dubai.

a) Recherchiere, für welche Tätigkeiten er eingesetzt wird.

b) Die im Jahr 2017 in Dubai eingeführten Streife fahrenden Sicherheitsroboter besitzen keine Schusswaffe. Beurteile, warum die Polizeiroboter keine Waffen verwenden dürfen, auch wenn sie in gefährliche Situationen geraten könnten.



2. In Atomkraftwerken gibt es für Menschen sehr gefährliche Bereiche – dies gilt vor allem nach einem Reaktorunfall.

a) Bildet Kleingruppen und erstellt eine Liste von Aufgaben eines Roboters, der in einem havarierten Atomkraftwerk eingesetzt werden soll. Bevor ihr recherchiert, überlegt zuerst die möglichen Aufgaben.

Hinweis: Farbige Ausdrucke der folgenden Abbildungen kannst du von deiner Lehrkraft erhalten.

b) Die Abbildung zeigt den 3-D-Laser-Scan einer Höhle. Solche Systeme werden auch von Robotern in Atomkraft-werken oder auf fremden Planeten verwendet.Begründe, warum eine normale Kamera im geschilderten Beispiel nur bedingt sinnvoll ist und erkläre die mögliche Bedeutung der unterschiedlichen Farben.

c) Nenne Vorteile eines solchen Scans gegenüber einer Fotografie.

3. Über die Tiefsee wissen wir weniger als über den Weltraum. Da die Erkundung der Tiefsee mit Menschen sehr teuer und gefährlich ist, werden auch hier Roboter eingesetzt.

a) Sogenannte AUVs (Autonome Unterwasser-Vehikel) werden in der Tiefsee zur Kartierung des Bodens verwendet. Das nebenstehende Foto wurde mit einem Fächerecholot-System aufgenommen.Beschreibe, warum in der Tiefsee keine Laser verwendet werden.

b) Ein moderner Roboter für Tiefseeaufgaben ist das autonom fahrende Robotersystem TRAMPER. Recherchiere, welche besonderen Herausforderungen so ein Tiefseeroboter meistern muss.

c) Erörtere, wie man die Probleme von TRAMPER lösen könnte. Informiere dich in diesem Zusammenhang über das MANSIO-VIATOR-Projekt.

17 ROBOTER IN EXTREMEN SITUATIONEN 69


4. Weltraummüll ist ein großes Problem für die Raumfahrt.

a) Interpretiere die Grafik und be-schreibe die Gefahren, die durch den Weltraummüll für die Menschheit entstehen können.

b) Roboter stellen eine mögliche Lösung des Weltraummüll-Problems dar. Aktuelle Projekte sind z. B. DEOS, Clean Space One, iBOSS, der Roboterarm an der EPFL.Bildet Gruppen und informiert euch über jeweils eines der genannten Projekte. Jede Gruppe präsentiert anschließend ihre Ergebnisse.

c) Im ROBEX-Projekt werden Tiefsee- und Raumfahrtroboter gemeinsam entwickelt. Welche Gemeinsamkeiten in den technischen Herausforderungen der Roboter bestehen für den Weltraum und die Tiefsee?

d) Vergleicht einen Tiefsee-Rover (z. B. TRAMPER) mit einem Weltraum-Rover (z. B. Asimov, Curiosity) bezüglich der Gemeinsamkeiten und Unterschiede.

Tiefseeroboter Weltraumroboter



18 Raumfahrt – heute und in der Zukunft

In der Raumfahrt sind Roboter nicht mehr wegzudenken. Keine Mission startet heute, ohne auf ein Robotersystem zurückzugreifen. Dabei fing alles erst vor knapp 50 Jahren an. Mit Lunochod 1 wurde 1970 der erste Rover auf dem Mond abgesetzt. Heute sind mehrere Rover aktiv oder in Planung und die Zukunft sieht auch weiterhin den Ausbau automatisierter Systeme im Welt-raum vor: die Roboter erobern den Weltraum!

1. Die Abbildungen zeigen den ersten Rover (Lunochod 1) und den aktuellen aktiven (Curiosity), beide sind etwa gleich groß.

a) Vergleiche die beiden Rover äußerlich und beschreibe, wie sich die Robotertechnik in den letzten 50 Jahren weiterentwickelt hat.

b) Informiere dich über die Missionsziele der beiden Rover. Liste auf, welche Aufgaben von der Erde aus gesteuert und welche autonom durchgeführt wurden bzw. werden.

c) Eine Weiterentwicklung stellt die Lightweight Rover Unit (LRU) dar. Schaue dir das folgende Video an: https://space2school.de/LRURoverBeschreibe, welchen Fortschritt es gegenüber Curiosity gibt.

18 RAUMFAHRT – HEUTE UND IN DER ZUKUNFT 71


WER SOLL WAS ENTSCHEIDEN?

AUTONOME ROBOTER IN DER ZWICK-

MÜHLE

Künstliche Intelligenz und Rechenpower führen dazu, dass Roboter ohne die Hilfe von Menschen schnell reagieren und Entscheidungen treffen können. Links oder Rechts? Weglaufen oder stehenbleiben? In der Raumfahrt, viele tausend Kilometer weit entfernt, wird diese Fähigkeit zum Erfolg von Missionen beitragen – ein Steuer signal, das alle Befehle von der Erde aus sendet, wäre viel zu lange unterwegs. Bei uns werden Roboter-entscheidungen aber für Diskussionen sorgen. Augen-fällig wird das bei autonomen Autos – den Robotern der Straße. Was tun, wenn ein Unfall unvermeidbar ist und das Auto die Wahl hat, entweder ein Kind oder einen Erwachsenen zu verletzen? Wer trifft diese Entscheidung? Und wer muss dann vielleicht ins Gefängnis? Der Pro-grammierer? Oder etwa ein Roboter? Auf Fragen dieser Art werden wir im Roboter-Zeitalter eine Antwort finden müssen.

2. Die Weiterentwicklung von Rovern wird am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) vorangetrieben. Im Sommer 2017 wurden dazu vier Wochen lang auf dem italienischen Vulkan Ätna der Lander RODIN, der Rover LRU-2 (Abbildung) und verschiedene Sensorboxen getestet.

a) Überlege, warum die Mission dazu ausgerechnet auf dem Ätna stattfand.

b) Getestet wurde auch das Zusammenspiel der drei ge-nannten Baugruppen. Recherchiere und beschreibe dann, welche Teilaufgaben die Komponenten jeweils hatten.

c) Die Abbildung zeigt LRU-2 mit einer Sensorbox. Erkläre, welchen Zweck die QR-Codes erfüllen und warum die Sensor box auf jeder Seite QR-Codes hat.

3. Die Satellitentechnik gewinnt immer mehr an Bedeu-tung. Der Transport eines Satelliten in eine Erdumlaufbahn ist jedoch sehr teuer. Günstiger und weniger aufwendig sind Reparaturen bzw. Wartungsarbeiten von bereits vorhan-denen Satelliten.

a) Heute werden solche Arbeiten noch von Astronauten übernommen. Erläutere, welche Probleme und Belastungen ein Astronaut während eines „Spaziergangs“ im Weltraum bei der Reparatur eines Satelliten aushalten muss.

b) Die Strahlenbelastung beträgt bei einem Weltraum-spaziergang ca. 400 mSv/a. Recherchiere die Bedeutung der Einheit und wie hoch die durchschnittliche Belastung für einen Menschen in Deutschland ist. Um welchen Faktor liegt die Strahlen belastung während des Weltraumspazier- gangs höher?

c) Der deutsche Astronaut Alexander Gerst war bei seiner ersten Mission 165 Tage und 8 Stunden im All, davon 6 Stunden bei einem Außen einsatz. Berechne, wie hoch seine Strahlenbelastung in diesem Zeitraum war.

d) Autonome Roboter-Systeme sollen Weltraumspaziergänge von Menschen deutlich reduzieren. Erstelle eine Liste von Vorteilen, die ein Roboter gegenüber einem Menschen in dieser Umgebung hat.

e) Das DLR entwickelt die Spacehand für einen Roboterarm (z. B. für das System Justin). Erstelle einen kleinen Wiki-Eintrag zur Spacehand. Gehe dabei auch auf den Begriff des „Kinfinity Glove“ ein.

*

72 MODUL 5: KONSTRUKTION UND BAU EINES GREIFARMS


19 Kreatives Konstruieren

Egal, welches Produkt entwickelt oder welches Projekt erarbeitet werden soll – es sind immer mehrere typische Arbeitsschritte zu durchlaufen. In der Regel beginnt man mit der Problemstellung und endet mit einer neuen (technischen) Lösung.

Der Ablauf der Planungs- und Konstruktionsphase lässt sich in fünf Schritten darstellen. Manchmal können einzelne Punkte übersprungen werden, z. B. wenn konkrete Vorgaben verbindlich umzusetzen sind. Manchmal springt man aber auch noch einmal zu einem bereits durchlaufenen Punkt zurück, z. B. wenn eine ermittelte Lösung verworfen werden muss.

1. a) Ordne die folgenden fünf Schritte in eine sinnvolle Reihenfolge, indem du die Ziffern von 1 bis 5 einträgst.

Präsentieren der Lösung

Erkennen und Aufbereiten des Problems

Gestalten der Lösung Gewinnen von Lösungsideen

Ermitteln geeigneter Lösungen

b) Für jeden einzelnen Schritt im Ablauf eines Projekts werden spezifische Problemlösestrategien benötigt. Beschreibe die aufgelisteten Problemlösemethoden, recherchiere dazu ggf. im Internet.

Pflichtenheft

Brainstorming

Analogiemethode

Kombinationsmethode

Mindmap

Variationsmethode

Bewertungsmethode

Generationsbetrachtung

Modellmethode

Technisches Experiment

Gestaltungsregeln

Referat mit Präsentation

c) Ordne den fünf Schritten aus Aufgabe a) die passenden Problemlösemethoden zu, indem du unter b) wiederum die Ziffern von 1 bis 5 einträgst.

d) Gestalte ein Plakat, das die fünf Problemlösungsschritte mit den passenden Problemlösestrategien, deren Beschreibung und möglichst ein passendes Bild oder Symbol enthält.

19 KREATIVES KONSTRUIEREN 73

FANTASIE OHNE TECHNISCHE GRENZEN:

ROBOTER IN DER KUNST

Bei Künstlern und Designern heißen Roboter gar nicht so. Automatische Kunstwerke, deren einziger Zweck es ist betrachtet zu werden, nennen sie „kybernetische Skulpturen“. Diese sind inzwischen mindestens so zahlreich wie Roboter in Industrie, Handwerk und Haushalt. Besonders berühmt ist „Cysp 1“, eine Installation des Franzosen Nicolas Schöffer, die sich im Jahr 1956 selbstständig unter Klang- und Farbeinflüssen bewegte. Der erste interaktive Kunst-Roboter war zehn Jahre später „Squat“. Der Apparat führte Wellenbewegungen aus, sobald man das Blatt einer Pflanze berührte. Inzwischen hat sich „Robo-Art“ zu einem festen Kunstbegriff etabliert, den man als „Medienkunst“ sogar studieren kann.


2. Mission Robotergreifarm! Im Folgenden soll im Team ein automatisierter Robotergreifarm geplant, konstruiert und gefertigt werden. Die Aufgabe des Roboters wird es sein, kleine „Kisten“ (z. B. Zuckerwürfel) von einer Seite auf eine andere zu transportieren. Die Vorgaben umfassen folgende Punkte:

– Beschreibung: kleiner Roboterarm mit 4 Freiheitsgraden, durch Mikrocontroller gesteuert– Genauigkeit: es sollen Gegenstände von ca. 1 cm3 Größe und 20 g Masse bewegt werden– Gebrauchsdauer: kein Dauereinsatz– Wartung: keine Kapselung, einzelne Teile können ggf. ersetzt werden– Stückzahl: es soll 1 Roboterarm pro Schülerteam gebaut werden– Kosten: die Kosten je Roboterarm sollen 30 Euro nicht überschreiten– Zeitrahmen: die Produktion darf max. 6 Stunden dauern

Bildet Teams. Welche Materialien, Bauteile oder Baugruppen werden für den Robotergreifarm benötigt? Wählt Bauteile aus der Grafik, ergänzt sie durch eigene Ideen und entwickelt im Team nach einem Brainstorming eine erste Skizze des Greifarms.



3. Wähle aus den in der ersten Aufgabe genannten Problemlösestrategien eine Methode zum Gewinnen von Lösungsideen bei der Entwicklung des Greifarms aus. Entwickle eine Lösung und beschreibe sie.

Problemlösestrategie:

4. Die Beweglichkeit der einzelnen Teile des Roboterarms kann durch verschiedene elektromechanische Antriebe realisiert werden. Benenne die abgebildeten möglichen Bauteile und beschreibe deren Vor- und Nachteile.

Bauteil Abbildung Vorteile und Nachteile

19 KREATIVES KONSTRUIEREN 75


5. Plane die Baugruppen „Greifzange“ und „Gestellarm“.

a) Beschreibe die zwei vorgegebenen Lösungen (auch, welche Materialien verwenden werden).

b) Entwickle eine eigene Lösung mit einem geeigneten Antrieb und möglichen mechanischen Stabilisierungskomponenten oder entscheide dich für eine der vorgegebenen Konstruktionen und begründe deine Wahl.

6. Erstelle eine Stückliste nach dem hier angedeuteten Muster. Berücksichtige auch Platz für weitere Bauteile, die später für die Steuerung benötigt werden.

Nr. Teil / Funktion Anzahl

1 …

…

Gestellarm

Greifzange



20 Konstruktion und Produktion der Greifzange

Seit jeher bilden Werkstoffe und Fertigungstechniken die Grundlage für fast alle technischen Innovationen. Früher spielten Werkstoffe aus der Natur wie Steine, Holz, Pflanzenfasern oder Leder und Fertigungstechniken wie Sägen, Zapfen, Dübeln oder Schrauben die wichtigste Rolle bei der Produktion. Schnell lernten die Menschen aber auch, andere Werkstoffe und Fertigungstechniken zu nutzen. Heute ist eine Welt ohne moderne Werkstoffe und computer-gestützte Produktionstechniken nicht mehr vorstellbar.

1. Zu Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts konnte der Bedarf an natürlichen und metallischen Werkstoffen nicht mehr gedeckt werden. 1905 gelang dann dem belgischen Chemiker Baekeland die Herstellung eines Stoffes, den er als „Bakelit“ bezeichnete. Recherchiere, was Bakelit ist und welche Rolle das Material heute spielt.

2. Moderne Werkstoffe haben optimierte Eigenschaften. Durch die Verbindung verschiedener einzelner Werkstoffe oder durch die Verstärkung einzelner Eigenschaften werden permanent neue Materialien hergestellt. Recherchiere und beschreibe den Aufbau und die verbesserten Eigenschaften der abgebildeten Produkte.

3. Unter Computer Aided Design (CAD) versteht man das computergestützte Konstruieren eines Produkts. Eine digitale Zeichnung kann beliebig verändert, auf Papier ausgedruckt oder von computergestützten Maschinen (CAM) produziert werden.

Im Folgenden sollst du mithilfe eines CAD-Systems, z. B. Solid Edge, eine einfache Greifzange für deinen Roboterarm kon-struieren. Als Grundlage für die CAD-Zeichnung verwende die von dir gewählte Lösung aus Arbeitsblatt 19 (Aufgabe 5). Zum Konstruieren benötigst du die Grundmaße des Servos sowie das Maß der Achse. Auf der nächsten Seite geht’s los.

Faserverbundwerkstoffe Formgedächtnisstahl Mikrofasern

20 KONSTRUKTION UND PRODUKTION DER GREIFZANGE 77


a) Wie beim herkömmlichen Technischen Zeichnen bildet auch beim CAD der Querschnitt des Bauteils die Basis der Konstruktion. Die linke Abbildung zeigt die Skizze der beweglichen Seite des Greifers. Sie besteht aus einem Kreis, mit dem die Zange später gelagert wird und der angesetzten Geometrie der Greifzange. Die rechte Abbildung zeigt die Weiter-entwicklung der Zeichnung zur räumlichen Konstruktion der Zange mit der Befestigungsbohrung für den Servomotor.

b) Im nächsten Schritt konstruierst du eine Halterung für den Servomotor am starren Gegenstück des Greifarms. In der linken Abbildung sieht man die Zeichnung des starren Greifarms mit Maßen, in der rechten Abbildung den bereits aus-geformten Greifarm mit der Aussparung für den Servo.

c) Mit dem Simulations- und Montagemodul „Part“ von Solid Edge kannst du nun die getrennt gestalteten Teile montieren und den Bewegungsablauf der Greifzange simulieren. Die beiden Teile werden virtuell über den vorgegebenen Drehpunkt an der Stelle, an der die Achse des Servos sitzt, montiert. Die folgenden Abbildungen zeigen die optimierte Konstruktion mit verschiedenen Stellungen der Greifzange.



4. Ein schneller und kostengünstiger Weg, dreidimensionale Prototypen oder Ersatzteile zu fertigen, ist die Produktion mit einem 3-D-Drucker. Die Rohstoffe, die hierfür verwendet werden können, sind Kunststoff, Kunstharz und Metall. Für den Druck der Zange musst du das mit Solid Edge erstellte Modell in das STL-Format umwandeln und in der Software des 3-D-Druckers öffnen. Das Programm wandelt dann deine Konstruktion in einzelne, etwa 0,1 mm dünne Schichten. Jede Schicht wird scheibchenweise aufeinander gedruckt.

a) Im Folgenden werden anhand des 3-D-Druckersystems MakerBot Replicator das Importieren einer zu druckenden Datei sowie die Einstellungen für den Drucker beschrieben. Du kannst den Vorgang in gleicher Weise auch mit einem anderen System durchführen.

1. Öffne die Druckersoftware und importiere die STL-Datei deiner beweglichen Greifzange.2. Das Programm schlägt eine Position der Objekte auf der Grundplatte vor. Wähle diese aus oder passe sie selber an.3. Nun kannst du deine Konstruktion betrachten, die Maße kontrollieren und eventuelle Skalierungen vornehmen. 4. Importiere nun die STL-Datei des Servohalters mit der starren Greifzange.5. Wenn weitere Objekte in einem Durchgang gedruckt werden sollen, kannst du weitere Modelle importieren oder

mit copy und paste einfügen und positionieren. 6. Bevor dein Projekt gespeichert wird, kannst du die Druckeinstellungen verändern.

Je höher die Genauigkeit, desto länger ist die Druckdauer, aber auch die Qualität des Werkstücks. Man kann auch sogenannte Supports erstellen lassen, um überhängende Abschnitte des Produkts abzustützen, die andernfalls „in die Luft“ gedruckt werden würden.

7. Nun kannst du entweder den Druck starten (wenn der Drucker direkt mit dem Computer verbunden ist) oder die Datei auf einen USB-Stick oder eine SD-Karte exportieren und danach an den Drucker übergeben.

b) Über den PRINT-Befehl am Drucker kannst du den Druckprozess starten. Nach der Aufwärmung der Düse reinigt sich der Druckkopf an einer vorgegebenen Stelle auf der Bodenplatte selber und beginnt dann mit dem Druckvorgang. Dieser kann je nach Größe deiner Zangenteile und Einstellungen bis zu zwei Stunden dauern.

Nach Abschluss des Druckes löse deine Bauteile vorsichtig mitsamt der Bodenplatte von der Druckplattform. Danach kannst du die mitgedruckte Bodenplatte an den entsprechenden Sollbruchstellen einfach von den Zangen ablösen.

WIE WIRD MAN

ROBOTER-INGENIEUR?

Es gibt viele Wege, um später einmal beruflich Roboter zu entwickeln. Immer noch sind klassische Studien-gänge wie Informatik, Automatisierungstechnik, Elektro-technik und Maschinenbau gute Voraussetzungen. Doch inzwischen gibt es spezielle Studiengänge wie technische Kybernetik, Mechatronik oder – an einigen Hoch schulen – sogar Robotik. Und auch Mathematiker, Mediziner, Luft- und Raumfahrttechniker, Physiker, Biologen und Designer arbeiten bei der Roboterentwicklung mit. Die meisten Experten sind sich einig: Das Zeitalter der Roboter hat gerade erst begonnen.

21 KONSTRUKTION DES MECHANISCHEN GESTELLARMS 79


21 Konstruktion des mechanischen Gestellarms

Egal, mit welchem Werkzeug ein Roboter arbeiten soll: immer wird für die mechanische Verbindung seiner Komponenten ein Gestänge benötigt. Die Art des Gestänges bildet die Konstruktion mehrerer fest oder gelenkig miteinander verbundener Profile. Als Profile für die Übertragung von Kräften und Bewegun-gen können Stangen, Stäbe, Platten oder Rohre verwendet werden. Je nach Bedarf kann die Konstruktion große Kräfte übertragen oder weite Distanzen überbrücken. In jedem Fall muss die Mechanik möglichst leicht sein.

1. Die Gestängeteile eines Roboterarms verbinden die Bodenplatte und die Gelenke miteinander. Je flexibler ein Roboter sein soll, desto mehr Gelenke (also Freiheitsgrade) benötigt er.

a) Zeichne jeweils das Gestell eines Greifarms mit zunehmenden Freiheitsgraden (FG) und kennzeichne die Gelenke nach dem Beispiel. Bezeichne den Greifer mit G.

b) Benenne mögliche Arbeitsabläufe am Beispiel des Transports von Zuckerstücken, die ein Roboterarm mit 1 bis 4 Freiheits-graden durchführen kann.

FG Skizze eines Gestellarms Mögliche Arbeitsabläufe

1

2

3

4

G



2. a) Konstruiere die nutzbaren Radien eines Greifarms mit einer Zange und mit drei Freiheitsgraden. Beginne mit der Seitenansicht und zeichne dann die Drauf-sicht. Verwende folgende Maße: L 1 = 9 cm, L 2 = 6 cm, L 3 = 4,5 cm, Gelenkdurch-messer 1,5 cm, Zange 3 cm. Zeichne im Maßstab 3:1.

b) Bestimme mit deinen Konstruktionen sinnvolle Maße für eine runde bzw. quadratische Bodenplatte, wenn die Zange würfelförmige Werkstücke mit 1 cm Seitenlänge transportieren soll. Begründe deine Wahl.

3. Konstruiere und fertige einen eigenen Greifarm. Der Arm wird mit der Greifzange aus Arbeitsblatt 20 bestückt. Diese soll mindestens 20 g transportieren. Sei kreativ oder baue den Vorschlag aus Aufgabe 2 nach. Verwende für die Gestänge je nach vorhandenem Material Kunststoffstan-gen, Aluminiumprofile oder Holzstäbchen (für Eis am Stiel). Überlege dir eine sinnvolle Profilform des Gestänges und achte auf eine möglichst leichte Konstruktion. Nutze für die Gelenke Servomotoren und für die Bodenplatte einen Bier-deckel oder eine Kunststoffplatte. Befestige die Bauteile mit Heißklebstoff, Haftknete oder geschäumten Klebesticks.

Vorsicht! Verbrennungsgefahr durch den Heißkleber!

a) Befestige jeweils einen Servomotor auf der Bodenplatte und an den drei Gestell teilen L 1 bis L 3. Befestige am Ende von L 3 die Greifzange.

b) Bewege die Servos vorsichtig so, dass dein Gestell den längsten Ausleger hat. Belaste die Zange mit 20 g. Wenn der Gestellarm kippt, musst du nachbessern, eventuell mit Gegengewichten.

c) Befestige die losen Kabel so mit Heißklebstoff an den Gestellteilen, dass die Bewegungen nicht eingeschränkt werden.

L2

ø

L3

L1

ROBO-ILLUSIONEN:

WIE STELLEN WIR UNS ROBOTER VOR?

Es waren immer wieder Science-Fiction-Autoren, die einen Blick in die Zukunft wagten. Häufig waren diese Blicke unheilvoll: Roboter waren Monster, die die Erde vernichten wollten. 1968 kam der Film „2001 – Odyssee im Weltraum“ in die Kinos. Darin strebt ein Roboterhirn namens „HAL 9000“ die Weltherrschaft an. Seither hat sich das Image aber auch gewandelt: „RoboCop“ war ein heldenhafter Polizist, der kleine Roboter David im Film „A.I. – künstliche Intel-ligenz“ ein gefühlvoller Junge, in „I-Robot“ sind die Wesen friedvolle Helfer, in „Avatar“ boten Roboter schließlich eine Möglichkeit, die eigene Seele in einen funktionsfähigen Körper zu übertragen. Welche Vision stimmt? Bisher keine. Nach „Odyssee im Weltraum“ glaubten die meisten Zuschauer, dass Roboter schon bald reden könnten, aber nie einen Menschen im Schach schlagen würden. Das Gegenteil war der Fall.

22 PLANUNG UND PROGRAMMIERUNG DER ROBOTERSTEUERUNG 81


22 Planung und Programmierung der Robotersteuerung

Für die Ansteuerung einer elektrischen Anlage – also auch eines Roboters – wird ein eigenständiger kleiner Computer benötigt. Wir sind von vielen dieser Minicomputer oder Mikrocontroller (MC) umgeben. Hier arbeiten wir beispiel-haft mit einem „Arduino“. Um einen MC wie den Arduino nutzen zu können, muss er zuvor programmiert werden. Danach wird er meist mithilfe eines Breadboards verdrahtet und an die benötigten Sensoren und Aktoren ange-schlossen.

1. a) Für die Ansteuerung der Servomotoren lassen sich verschiedene Bauteile verwenden. Benenne die abgebildeten Bauteile.

b) Um die Komponenten des Greifarms stufenlos zu bewegen, werden Schaltelemente benötigt, die möglichst viele Wertabstufungen zulassen. Ordne die Bauteile nach der Anzahl der Teilschritte, die sie schalten können und trage die Ziffern 1 bis 5 in die Kreise ein: von 1 = höchste Anzahl der Schaltstufen bis 5 = nur zwei Schaltstufen an / aus möglich (einzelne Ziffern können mehrfach vorkommen!).

c) Wähle das passende Bauteil für die Ansteuerung des Greifarms und begründe.

2. Für die Ansteuerung der Servomotoren wird ein getaktetes Signal verwendet. Dieses kann z. B. von einem Arduino bereit-gestellt werden. In einem ersten Schritt muss dazu der Mikrocontroller mit einer passenden Software programmiert werden. Hierfür gibt es eine spezielle Programmiersprache, mit der jeder einzelne Pin angesprochen oder ausgelesen werden kann.

Jedes Programm für einen Mikrocontroller ist immer nach folgendem Muster aufgebaut:1. Benennung der Variablen, 2. Zuweisung von Funktionsweisen und3. Programmlogik.Bearbeite nun die Aufgaben auf der nächsten Seite.



a) Das folgende Programm erläutert die Funktion der drei Teile am Beispiel eines angeschlossenen Servomotors ausführlicher. Analysiere das Programm und beantworte die folgenden Fragen.

Welches Bauteil zur Ansteuerung aus Aufgabe 1 wird verwendet?

An welchem Pin des Arduinos wird das Eingangssignal für dieses Bauteil eingespeist?

An welchem Pin des Arduinos wird das Ausgangssignal für den Servo bereitgestellt?

Um wieviel Grad kann sich der angeschlossene Servo drehen?

Welchen Wert muss das angeschlossene Potenziometer haben?

b) Erweitere das Programm auf insgesamt 4 Servomotoren.

3. Das Programm muss nun in den Arduino übertragen werden. Verbinde dazu Arduino und Computer wie folgt mit einem geeigneten USB-Kabel:

a) Suche im Programm unter dem Menüpunkt „Werkzeuge“ den Punkt „Boardinformationen holen“.

b) Stelle nun im Programm unter dem Menüpunkt „Werkzeuge“ im Menüpunkt „Board“ das richtige Board ein, im Menü-punkt „Prozessor“ den richtigen Chip deines Arduinos und den zu verwendenden Port.

c) Suche im Programm unter dem Menüpunkt „Sketch“ den Menüpunkt „hochladen“ und übertrage dein Programm. Wenn das Überspielen geklappt hat, blinkt der Arduino und du erhältst eine entsprechende Meldung.

23 VERDRAHTUNG UND INBETRIEBNAHME DES GREIFARMS 83


23 Verdrahtung und Inbetriebnahme des Greifarms

Die Steuerbefehle für die einzelnen Aktoren eines Roboters können auf ver-schiedene Weise übertragen werden. Es gibt kabellose Systeme, die über Funk kommunizieren, oder kabelgebundene Systeme, die in der Regel über einen sogenannten Bus verbunden sind. Ein Bus ist ein System zur Datenübertragung zwischen den einzelnen Komponenten einer Anlage, die alle einen gemein-samen Übertragungsweg nutzen. Jede Komponente hat eine eigene Adresse, welche vom Bussystem angesprochen wird. Wenn eine Datenüber tragung stattfindet, dürfen nur die beteiligten Komponenten kommunizieren, die übrigen müssen schweigen, da die Anlage sonst gestört würde.

1. Jeder Servomotor des Roboters wird mit einem eigenen Schalter angesprochen. Im Programm des Arduinos wurden dazu Trimmpotenziometer verwendet, weil sie eine stufenlose Positionierung ermöglichen. Im Folgenden ist die Verkabelung eines einzelnen Servos abgebildet.

a) Die Grafik wurde mit der kostenlosen Software „Fritzing“ gezeichnet. Lade das Programm von der Seite www.fritzing.org auf einen Rechner.

b) Übernimm die abgebildete Zeichnung. Schließe außerdem das Board an eine 9-V-Batterie an. Auch der Servo wird an eine eigene Batterie angeschlossen, da er bei hoher Belastung sonst die Stromversorgung des Arduinos unterbrechen könnte.

c) Erweitere die Zeichnung um die restlichen drei Servomotoren. Beachte dabei die in deinem Arduinoprogramm festgelegten Eingänge und PWM-(Pulsweiten-Modulation)-Ausgänge (z. B. A 0- A 3 / D3, D 5, D6, D9, D10 und D11).

2. Damit die Potenziometer nicht lose herumliegen, sollten die Bauteile auf eine Platine gesteckt werden. Dazu eignen sich sogenannte Breadboards.

a) Informiere dich, wie Breadboards aufgebaut sind, und zeichne mit farbigen Stiften die im Breadboard verbundenen Leitungen ein. Verwende rot und blau für die Stromversorgungen und grün für die übrigen Verbindungen.

b) Beschreibe, was es mit dem grauen Balken in der Mitte des Breadboards auf sich hat.



3. Die Abbildung zeigt eine Arduino-Platine mit einem Potenziometer auf einem Breadboard für die Fernsteuerung eines einzelnen Servos. Die Steuerung ist bereits mit dem Arduino verdrahtet.

a) Baue die Schaltung nach. Verwende klassische Leitungen oder – wenn vorhanden – spezielle Steckleitungen für die Verbindungen.

b) Erweitere deine Fernsteuerung um die anderen drei Potenziometer. Achte auf eine gemeinsame Masse und darauf, dass du die in deinem Arduinoprogramm festgelegten Eingänge und PWM-Ausgänge (A 0- A 3 / D3, D5, D6, D9, D10 und D11) verwendest.

4. Verdrahte deine Fernbedienung mit dem Robotergreifarm. Verwende mindestens 20 cm lange klassische Leitungen oder ggf. spezielle Steckleitungen. Achte darauf, dass alle Servos eine gemeinsame Batterie bzw. ein gemeinsames Netzteil haben und dass der Minuspol der Servo-Batterie mit dem Minuspol der Arduino-Stromversorgung verbunden ist.

5. Teste deinen Greifarm und optimiere bzw. verbessere gegebenenfalls.

a) Versuche ein kleines Klötzchen, z. B. ein Stück Würfel zucker, zu greifen und an einer anderen Stelle abzulegen.

b) Veranstaltet einen Wettbewerb: Welcher Roboter schafft es am schnellsten, 5 Stück Würfelzucker von einer Seite auf die andere Seite zu transportieren?

c) Schaffst du es, drei Stück Würfelzucker übereinander zu stapeln?

Das DLR im Überblick

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist das Forschungszentrum der Bundesrepublik Deutschland für Luft- und Raumfahrt. Seine umfangreichen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten in Luftfahrt, Raumfahrt, Energie, Verkehr, Digitalisierung und Sicherheit sind in nationale und inter nationale Kooperationen eingebunden. Über die eigene Forschung hinaus ist das DLR als Raumfahrtagentur im Auftrag der Bundesregierung für die Planung und Umsetzung der deutschen Raumfahrtaktivitäten zuständig. Zudem fungiert das DLR als Dachorganisation für den national größten Projektträger.

In den 20 Standorten Köln (Sitz des Vorstands), Augsburg, Berlin, Bonn, Braunschweig, Bremen, Bremerhaven, Dresden, Göttingen, Hamburg, Jena, Jülich, Lampoldshausen, Neustrelitz, Oberpfaffenhofen, Oldenburg, Stade, Stuttgart, Trauen und Weilheim beschäftigt das DLR circa 8.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter. Das DLR unterhält Büros in Brüssel, Paris, Tokio und Washington D.C.

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Robotik Sensible Helfer auf der Erde und im All– Robotik-Systeme erfüllen einen bestimmten Zweck – Konstruktion und Bau eines Greifarms Damit werden bereits durch die Gliederung