Skip to content

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

Beitrag teilen:

Facebook
Twitter
LinkedIn
Pinterest
XING
WhatsApp
Email

Ähnliche Beiträge

Header_Entdeckt_02-2023 (18)
30. November, 2023
Die Versauerung der Ozeane hat dem Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung zufolge einen erheblichen Einfluss auf marine Lebensformen, insbesondere auf jene, die ihre Skelette und Schalen aus Kalk aufbauen (zum Beispiel Korallen, Muscheln, Schnecken, Kalkalgen). Diese Organismen spielen eine essenzielle Rolle im marinen Ökosystem. Der niedrigere pH-Wert des sauren Wassers beeinträchtigt jedoch ihr Wachstum und kann das gesamte Ökosystem aus dem Gleichgewicht bringen.
Header_Entdeckt_02-2023 (19)
30. November, 2023
Die Anschaffung von Unterrichtsmitteln ist oftmals eine kostspielige Angelegenheit. Auf der Suche nach Alternativen, die zudem die Selbstständigkeit, Kreativität und das handwerkliche Geschick von Kindern fördern, lohnt sich der Blick über Ländergrenzen hinweg. So zeigt der informelle Sektor in den wirtschaftlich ärmeren Ländern unserer Erde Improvisationstalente und einen innovativen Reichtum, den man in der formalen Schule westlicher Staaten oft vergeblich sucht. Not macht erfinderisch – sie provoziert Einfälle auch für scheinbare Abfälle, und es gibt offenbar nichts, was sich nicht durch Recycling herstellen lässt.
Raumfahrtmedizin_ORP
Gesponserte Inhalte
12. Oktober, 2023
Das Schulmaterial der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR und Klett MINT erklärt anschaulich, wie Astronautinnen und Astronauten die Veränderungen ihres Körpers erleben, wenn sie ins Weltall reisen und welchen Nutzen Ihre Erfahrungen für uns auf der Erde haben.
coocazoo_Blog_Schlau_mit_Wow_neu
Gesponserte Inhalte
20. September, 2023
Die kompakte, fächerübergreifende Unterrichtsreihe für die 3. und 4. Klasse aus dem Bereich Bildung für nachhaltige Entwicklung (BNE) unterstützt Ihre Schüler:innen, fundierte Entscheidungen bei der Rettung unseres Planeten zu treffen. Am Beispiel von Plastikmüll lernen sie Zusammenhänge kennen und verstehen.
MZ-01-23_Beitragsbild (1)
7. Juli, 2023
Denken Sie ab und zu einmal an Ihre Chemie-Unterrichtsstunden zurück? Haben Sie damals viel selbst experimentieren dürfen? Oder hätten Sie gerne mehr experimentiert? Diese Erfahrung teilen viele der Teammitglieder im Team Science & Education des JungChemikerForums (JCF) der Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V. Sie haben sich daher entschlossen, einen Chemie Escape-Room für Schüler*innen zu entwickeln, um diese für die MINT-Fächer zu begeistern.
MZ-01-23_Beitragsbild
30. Juni, 2023
Wir leben in einer VUCA-Welt. Der Begriff wurde bereits Mitte der 1980er-Jahre in den Wirtschaftswissenschaften geprägt und später vor allem für den Bereich moderner Unternehmensführung und -strategien auskonzipiert. VUCA ist eine englische Abkürzung und beschreibt den Zustand des gesellschaftlichen Zusammenlebens (und damit die Märkte und das Wirtschaften) als veränderlich (volatile), unsicher (uncertain), komplex (complex) und mehrdeutig (ambiguous).
OVS-Ausschnitt-Stunde-Wege-des-Lichts
Gesponserte Inhalte
16. Juni, 2023
Die Kultusministerien meldeten laut einer Umfrage des Redaktionsnetzwerks Deutschland (RND) vom 25. Januar 2023 genau 12.341 unbesetzte Stellen. Bis 2025 werden bereits 25.000 Stellen unbesetzt sein, vor allem in den MINT-Fächern. Was tun?
MZ-02-23_Beitragsbild (2)
9. Juni, 2023
Das Schmelzen der Gletscher hat globale Folgen für das Leben auf dieser Erde. Einerseits stellen die Gletscher unsere Süßwasserspeicher dar. Ein Schmelzen würde zuerst zu Überschwemmungen und dann zu Wassernot führen. Andererseits verursacht das Schmelzen der Gletscher Klimaänderungen und damit verbunden einen Temperaturanstieg auf der Erde. Genau hier setzt das Physikexperiment an, in dem die Schüler*innen der 5. und 6. Klasse das Schmelzen von Eis erforschen und einen Zusammenhang mit dem Klimawandel herstellen. Hierfür wird eine digitale Experimentierumgebung im Comicformat zur Verfügung gestellt, die durch gestufte Lernhilfen adaptives Lernen ermöglicht.
2
19. Mai, 2023
Der Unterricht der naturwissenschaftlichen Fächer verläuft häufig problemorientiert. Das bedeutet, es werden Problemlöseprozesse durchlaufen, in denen die Lernenden zunächst mit einer realen, authentischen oder konstruierten Problemsituation konfrontiert werden, aus der sich ein oder mehrere Fragestellungen ergeben, die für die Lernenden nicht auf Anhieb lösbar sind. Was sie aber leisten können, ist, auf der Basis ihres Vor- oder Alltagswissens Ideen, Vermutungen oder gar Hypothesen zur Fragestellung zu formulieren, diese dann durch Auswertung empirischer Daten zu prüfen und über die erhaltenen Ergebnisse die Fragestellung(en) zu beantworten.
MZ-01-23_Beitragsbild (1)
15. April, 2023
Der Klimawandel beschreibt die langfristigen Veränderungen von Faktoren wie der Temperatur, des Niederschlags und der Meeresströmungen. Er schreitet bedrohlich schnell voran, trifft vor allem besonders vulnerable Gruppen und betrifft uns alle. Längst ist von einer Klimakrise die Rede, die die Gesundheit, Sicherheit und Ernährung, ja die gesamte Existenz der Menschheit bedroht. Wir alle bekommen den Klimawandel im wahrsten Sinne des Wortes zu spüren. Laut Angaben des Weltklimarates IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) sind 3,3 bis 3,6 Milliarden Menschen auf der Welt „hochgradig gefährdet“.
MZ-01-23_Beitragsbild
14. April, 2023
Eine verlorene Schiffsladung ist nicht nur ein Ärgernis für die Reederei, in den meisten Fällen hat solch ein Ereignis zudem negative Folgen für die Umwelt. Im Januar 1992 gelangten durch einen Sturm etwa 28.800 Kunststofftiere ins Meer. Unter dem Namen „Friendly Floatees“ wurden sie weltbekannt und halfen der Wissenschaft, die windgetriebenen Oberflächenströmungen besser zu verstehen.
LE-Klett-Mint-Kampagne-Header-4-1920x1080px
Gesponserte Inhalte
5. April, 2023
In der Grundschule sollen die Schülerinnen und Schüler nicht nur Wissen erwerben, sondern vielmehr eine Reihe wichtiger Kernkompetenzen, die sie für ihren weiteren Bildungsweg und ihr folgendes Alltagsleben benötigen. Mit dem Lernkonzept SPIKE TM Essential von LEGO® Education gelingt es Lehrkräften leicht, spielerisch-entdeckendes Lernen in ihren Klassenzimmern zu fördern und den Kindern damit alle relevanten Fähigkeiten schnell und nachhaltig zu vermitteln.