Teure Technik? – Bau eines Robotergreifarms aus günstigen Materialien

Roboter begeistern Schüler*innen aller Altersklassen. Die Verwendung von Robotern im technischen Unterricht sorgt für gesteigertes Interesse und Motivation, da Inhalte anhand von faszinierenden Realobjekten greifbar gemacht werden. Allerdings scheitern spannende Unterrichtsvorhaben häufig an fehlenden finanziellen Mitteln. Im Folgenden wird ein Unterrichtsprojekt vorgestellt, bei dem die Schüler*innen einen Roboterarm aus kostengünstigen Materialien bauen, anhand dessen unterschiedlichste Themengebiete aus dem MINT-Bereich aufgegriffen werden können.

Ein Beitrag von Colin Peperkorn und Prof. Dr. Claas Wegner

Je nach behandeltem Thema können die Bauphasen auch häufiger unterbrochen und mit fachspezifischen Inhalten gefüttert werden, was vor allem bei jüngeren Lerngruppen für eine Auflockerung der Arbeitsphasen sorgt. Zusätzlich bietet das Unterrichtsprojekt die Chance für einen fächerübergreifenden Ansatz. So kann die Konstruktion des Arms im Technikunterricht verortet werden. Hier kann darüber hinaus an Weiterentwicklungen gearbeitet werden. Dabei ist beispielsweise eine drehbare Basisplatte oder die Verwendung alternativer Baustoffe denkbar. Anschließend kann der Greifarm als Übergang zum Inhaltsfeld der soziotechnischen Systeme genutzt werden, indem Greifsysteme in industriellen Fertigungsanlagen aufgegriffen werden. Im Fach Physik kann der Greifarm im Rahmen des Inhaltsfelds Kraft, Druck, mechanische und innere Energie genutzt werden. Im Fach Biologie können zum Beispiel Themen wie die verschiedenen Gelenktypen, die Hand des Menschen oder Nachhaltigkeit behandelt werden. Im Fach Mathematik ist anhand der verschiedenen Bewegungsebenen, Formen und Winkel des Greifarms ein Einstieg in die Geometrie denkbar.

Grundplan des Roboterarms

Der Roboterarm setzt sich aus 23 Einzelteilen zusammen, die vor dem Zusammensetzen aus Pappe ausgeschnitten werden müssen (Schnittmuster siehe „Begleitendes Material“). Die beiden Scharniergelenke werden mithilfe von Holzspießen, die durch Kleber und kleine Pappquadrate befestigt werden, verbaut. Für das Greifsystem wird darüber hinaus Draht verwendet, um kleine Haken zu formen, die eine Bewegungsübertragung in beide Richtungen ermöglichen. Die Spritzen ermöglichen den Antrieb des Roboterarms mithilfe der Hydraulik. Je nach gesetztem Themenschwerpunkt können verschiedene Bauteile des Roboterarms in den Fokus gerückt werden.

Bauphase

Eine detaillierte Bauanleitung wird als Tutorial-Video bereitgestellt. Im ersten Schritt werden die benötigten Teile auf Pappe aufgezeichnet, ausgeschnitten und die notwendigen Löcher für die Gelenke vorgebohrt. Anschließend werden das Grundgerüst und der Ausleger des Greifarms zusammengesetzt, welche auf einer verstärkten Basisplatte montiert werden. Danach wird das Greifsystem des Arms zusammengebaut und am Ausleger befestigt. Im nächsten Schritt wird das „Antriebssystem“ des Roboterarms montiert. Dafür werden zunächst die Spritzen entsprechend präpariert. Hier werden die Kolben mit einem Dosenlocher oder Standbohrer mit passenden Löchern versehen. Je nach Altersgruppe sollte dies ggf. die Lehrkraft übernehmen.

Material & Werkzeug

Pappe (alter Versand- oder Schuhkarton)
Holzspieße
Musterbeutelklemmen
Draht oder große Büroklammern
Heißkleber oder Modellkleber
6 Spritzen (10 ml)
ca. 1 Meter Gummischlauch (4/6)
Kabelbinder
Cutter
Schere
Standbohrer/Akkuschrauber (4 mm)
Heißklebepistole

geschätzte Kosten pro Projekt: ~ 5,00 €

Anschließend werden mithilfe der Kabelbinder Befestigungsösen an den Zylindern der Spritzen angebracht. Im nächsten Schritt werden die vorbereiteten Spritzen an den entsprechenden Stellen am Greifarm eingesetzt und durch wassergefüllte Schläuche mit den ebenfalls wassergefüllten Steuerungsspritzen verbunden. Abschließend sollte der Greifarm getestet werden. Durch das Eindrücken und Herausziehen der Steuerungsspritzen sollte die Bewegung auf die Gelenke des Greifarms übertragen werden. Nach dem ersten Test muss der Roboter ggf. überarbeitet werden. Hierbei müssen möglicherweise einzelne Teile nachjustiert werden. Ein häufiges Problem bei der Steuerung des Arms ist Luft in den Spritzen und Gummischläuchen. In diesem Fall müssen die Steuerungsspritzen und Schläuche noch einmal abmontiert und ohne Lufteinschlüsse befüllt werden.

Beispielhafte Lernziele

Methodisch-handwerkliche Fähigkeiten

Die Schüler*innen können …
… fachgerecht mit Werkzeugen und Werkstoffen umgehen.
… die festgelegten Sicherheitsregeln beachten.
… vorgegebene Arbeitsschritte selbstständig erfassen und durchführen.
… die Steuerung von hydraulischen Systemen übernehmen und gezielt damit arbeiten.

Fachliche/intellektuelle Fähigkeiten

Die Schüler*innen können …
… die Wirkungsweise von hydraulischen bzw. pneumatischen Systemen nachvollziehen und übertragen.
… an Beispielen energetische Veränderungen an Körpern und die mit ihnen verbundenen Energieübertragungsmechanismen einander zuordnen.
… verschiedene Stoffe bzgl. ihrer mechanischen Stoffeigenschaften vergleichen und unterscheiden.

Die angestrebten Lernziele des Unterrichtsprojekts variieren je nach Fach, Thema und Altersgruppe.

Resümee & Einsatzmöglichkeiten

Das vorgestellte Unterrichtsprojekt bietet die Möglichkeit, sich die aktivierenden Aspekte der Robotik im Unterricht ohne hohe Kosten zunutze zu machen. Zunächst werden dabei vor allem handwerkliche Grundlagen und Kenntnisse über verschiedene Materialien und Werkzeuge vermittelt. Durch die mögliche Einbettung in verschiedene naturwissenschaftliche und technische Fächer kann der Robotergreifarm aus Pappe als Einstieg für viele verschiedene Themenbereiche genutzt werden. Alles in allem bietet der Bau des Roboterarms vielfältige Bezugspunkte und kann variabel in verschiedenen Fächern eingesetzt werden. Dabei können sowohl handwerkliche Fähigkeiten als auch fachspezifische Inhalte motivierend und objektorientiert unterrichtet werden, ohne dabei auf „teure Technik“ zurückgreifen zu müssen. Der Einsatz des Papproboters wurde sowohl im Präsenz- als auch im Distanzunterricht getestet und ließ sich gut mit den behandelten Inhaltsfeldern kombinieren.

Begleitendes Material

Im Downloadbereich finden Sie das Schnittmuster für den Pappgreifarm im PDF-Format. Zusätzlich befindet sich dort das begleitende Tutorial zum Bau des Roboterarms. Um das geplante Unterrichtsvorhaben digital zu unterstützen, haben wir für Sie hier das 3-D-Modell des Roboterarms als .obj-Datei bereitgestellt. Damit das Modell z. B. in der browserbasierten 3-D-Modellierungssoftware Tinkercad (oder einer alternativen 3-D-Software) verwendet werden kann, muss die Datei zunächst heruntergeladen werden. In Tinkercad muss anschließend ein „Neuer Entwurf“ aufgerufen werden, um dann die .obj-Datei des Modells durch einen Klick auf die Schaltfläche „Importieren“ am oberen rechten Bildrand zu öffnen. Nun kann das Modell beliebig bearbeitet und erweitert werden. Die Schüler*innen können so das Modell genauer betrachten bzw. auch im Unterricht weiterentwickeln.

Download

Tutorial der Bauanleitung, Schnittmuster und 3-D-Modell des Roboterarms als .obj-Datei

Colin Peperkorn

ist wissenschaftlicher Mitarbeiter im Osthushenrich-Zentrum für Hochbegabungsforschung an der Fakultät für Biologie (OZHB) an der Universität Bielefeld und beschäftigt sich in seiner Forschung mit der Diagnostik und Förderung naturwissenschaftlicher Begabung.

Prof. Dr. Claas Wegner

ist Leiter des Osthushenrich-Zentrums für Hochbegabungsforschung an der Fakultät für Biologie (OZHB) an der Universität Bielefeld und beschäftigt sich in seiner Forschung mit der Diagnostik und Förderung naturwissenschaftlicher Begabung

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