Erinnern Sie sich? In einem früheren Onlinebeitrag haben wir auf dem MINT-Zirkel-Blog einen Roboterarm vorgestellt, der ganz einfach aus Pappe, Spritzen, Schläuchen und Büroklammern gebaut werden kann. Der elektronische Robotergreifarm 2.0 stellt eine Weiterentwicklung des damaligen Robotergreifarms vor.
Ein Beitrag von Jonas Tillmann, Mahdi El Tegani und Prof. Dr. Claas Wegner
Den früheren Beitrag „Teure Technik? – Bau eines Robotergreifarms aus günstigen Materialien“ können Sie hier nachlesen. Die Neuerung für den Robotergreifarm 2.0: Der Greifarm wird nicht mehr über hydraulische Spritzen angetrieben; vielmehr übernehmen Servomotoren und ein Mikrocontroller die Steuerung und den Antrieb. So kann spielerisch und praxisnah in die Informatik und Elektrotechnik eingestiegen werden. Darüber hinaus können technische und informatische Kompetenzen vermittelt und die Kreativität der Schüler:innen gefördert werden.
Roboter sind Teil unseres Alltags
Roboter sind längst nicht mehr nur Zukunftsvisionen, sondern zu einem wesentlichen Bestandteil unseres Alltags geworden – sei es in der Industrie, wo sie präzise und schnelle Arbeitsabläufe ermöglichen, oder in der Medizin, wo sie bei Operationen assistieren. Auch im Haushalt finden wir bereits kleine Roboter. Der Umgang mit ihnen ist nicht nur faszinierend, sondern auch eine zentrale Kompetenz, die Schüler:innen heute lernen, um auf die technologische Zukunft vorbereitet zu sein.
Einsatzmöglichkeiten im MINT-Unterricht
Das Thema Robotik im Unterricht einzusetzen, eröffnet zahlreiche neue Lernchancen: Der Bau und die Programmierung eigener Roboter fördert logisches Denken, Kreativität und Teamarbeit. Dabei wird Technik nicht nur theoretisch, sondern praktisch erfahrbar – und unterstützt Schüler:innen darin, die Technik der Zukunft besser zu verstehen und anzuwenden. Indem die Schüler:innen bereits erste Einblicke in die Funktionsweise und Steuerung dieser Maschinen gewinnen, können sie sich wichtige Grundlagen für technische Berufe erarbeiten.
Mit der Weiterentwicklung des hydraulischen Robotergreifarms werden andere Fachbereiche angesprochen als mit dem ersten Bau. Durch die Erweiterung kann im Fach Informatik das Inhaltsfeld Algorithmen und Automaten an einem praktischen Beispiel behandelt werden. Sowohl vorher (bei der Konstruktion) als auch im Nachhinein (bei der Reflexion) kann das Inhaltsfeld Informatik, Mensch und Gesellschaft genutzt werden, um den Einsatz von Robotern und Maschinen in der Lebenswelt des Menschen zu diskutieren.
Im Fach Technik bietet sich besonders die Kombination der Inhaltsfelder Planung und Herstellung technischer Systeme sowie Digitaltechnik an. Auch physikalische Phänomene lassen sich durch den Einsatz von Motoren besser erforschen: Was ist ein Drehmoment und wie groß ist das maximale Drehmoment der Motoren? Welche Aufgaben können Roboterarme übernehmen und wie kann man diese möglichst ressourcensparend bauen? Wie lässt sich der Robotergreifarm steuern und welche Vorteile bietet es, den Robotergreifarm elektrisch zu steuern? Mithilfe dieser und weiterer Fragen können sich die Lernenden neben dem Basteln und Bauen ein tieferes Verständnis rund um die Robotik aufbauen und ihr Wissen nachhaltig verankern.
Grundplan des Roboterarms
Der Roboterarm wird aus 13 Pappteilen zusammengesetzt, die aus einem etwa DIN A4 großen Stück Pappe ausgeschnitten werden. Zusätzlich kommen vier Motoren hinzu, die den Roboterarm bewegen. Diese Motoren werden mittels Potenziometern und eines Mikrocontroller-Boards gesteuert. Vor der finalen Montage der Motoren empfiehlt es sich, die Motoren zu kalibrieren. Zur Befestigung der einzelnen Bauteile des Roboterarms werden Klebeband und Büroklammern verwendet. Zusätzlich müssen die Potenziometer an das Mikrocontroller-Board angeschlossen werden. Das Mikrocontroller-Board wird anschließend programmiert und die Motoren werden verbunden.
Bauphase – so geht’s
Im ersten Schritt werden die später benötigten Motoren kalibriert. Dazu wird zunächst das Programm zur Steuerung auf das Mikrocontroller-Board geladen. Anschließend werden alle Potenziometer so an das Mikrocontroller-Board angeschlossen, dass das Potenziometer, das am weitesten links liegt, den Motor der Basis steuert, das nächste Potenziometer den nächsthöheren Motor und so weiter. Dann werden alle Motoren an das Mikrocontroller-Board angeschlossen und markiert, um im späteren Verlauf einen Überblick über die Position der Motoren zu haben. Die Motoren werden nun entsprechend ihrer finalen Position im Roboterarm kalibriert. Danach wird die Vorlage auf ein Stück Pappe aufgeklebt und die Roboterarmteile werden ausgeschnitten.
Material & Werkzeug
- große, starke Pappe (etwa ein alter Versand- oder Schuhkarton)
- 1 Mikrocontroller (z. B. Arduino Uno)
- 4 Servomotoren
- 4 Potenziometer
- 1 Breadboard
- ausgedrucktes Schnittmuster (siehe Download-Kasten)
- 2 Büroklammern
- doppelseitiges Klebeband
- Cutter(messer) und/oder Schere
- 1 Nagel (dünn)
- Zange
- Kabel zum Verbinden
geschätzte Kosten pro Projekt:
~ 20,00 Euro
Schließlich wird zunächst die Basis, dann die Zwischenbasis und schlussendlich der Greifarm gebaut. Für die beiden Basen werden kleine Füße im rechten Winkel geknickt und jeweils in den Ecken angeklebt. Die Motoren werden an der richtigen Stelle teilweise mithilfe von Büroklammern befestigt. Hier bieten sich besonders dünne Büroklammern an. Für den letzten Teil des Roboterarms gibt es je nach Aufgabe des Roboters verschiedene Ausführungen – je nach Kreativität der Schüler*innen.
Beispielhafte Lernziele
Der Bau des Robotergreifarms 2.0 ermöglicht es Schüler:innen, vielfältige Lernziele zu erreichen und auf spielerische Weise folgende methodisch-handwerkliche und fachlich-intellektuelle Fähigkeiten zu vertiefen. Die angestrebten Lernziele des Unterrichtsprojekts variieren natürlich je nach Fach, Thema und Altersgruppe.
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 elektrischen Systemen übernehmen und gezielt damit arbeiten.
… elektrische Schaltkreise korrekt nachbauen und bedienen.
Fachlich-intellektuelle Fähigkeiten
Die Schüler:innen können …
… die Wirkungsweise von elektrischen Systemen nachvollziehen und übertragen.
… an Beispielen energetische Veränderungen an Körpern und die mit ihnen verbundenen Energieübertragungsmechanismen einander zuordnen.
… verschiedene Stoffe bezüglich ihrer mechanischen Stoffeigenschaften vergleichen und unterscheiden.
Resümee und Einsatzmöglichkeiten
Das hier vorgestellte Unterrichtsprojekt bietet Schüler:innen eine Möglichkeit, einen Exkurs in die Robotik und Technik zu unternehmen und dabei grundlegende Prinzipien nachzuverfolgen. Dabei ist ein tiefgehendes Verständnis von Informatik nicht nötig, da der Code zur Verfügung gestellt wird und nur auf das Mikrocontroller-Board geladen werden muss.
Die Schüler:innen schulen beim Zusammenstecken der elektronischen Komponenten ihre Feinmotorik und ihre Fähigkeit, visuell-systematisch zu denken. Gleichzeitig üben sie beim Bau des Robotergreifarms ihre Fertigkeiten im Umgang mit Werkzeugen und verschiedenen Werkstoffen.
Die flexible Verankerung der Unterrichtseinheit in den MINT-Fächern erlaubt es, einen unterschiedlichen Fokus zu legen und dabei andere Lebensweltbezüge mit einzubinden.
So kann einerseits auf die technische Umsetzung geachtet werden, andererseits können die späteren Einsatzmöglichkeiten eines Robotergreifarms, die daraus resultierenden Anforderungen an ihn und die dafür nötigen Anpassungen thematisiert werden.
Download
Das gesamte Material inkl. Schnittmuster, Konstruktionsvorschlag und Programmierung steht für Sie hier zum Download bereit:
Um das geplante Unterrichtsvorhaben digital zu unterstützen, finden Sie hier ein interaktives 3-D-Modell des Roboterarms
Damit haben die Schüler:innen die Möglichkeit, den Aufbau des Greifarms genau zu studieren. Außerdem kann mithilfe der Software digital an möglichen Weiterentwicklungen des Projekts gearbeitet werden.
Hinweis: Um den Link nutzen zu können, wird eine Registrierung als Lehrkraft bei www.tinkercad.com benötigt. Diese ist kostenlos und ermöglicht die Nutzung einer umfangreichen browserbasierten 3-D-Modellierungssoftware. Außerdem haben Sie als Lehrkraft die Möglichkeit, digitale Klassenräume zu erstellen, in denen Ihre Schüler:innen auch ohne Registrierung ihre Entwürfe hochladen und sammeln können.
Jonas Tillmann, Mahdi El Tegani und Prof. Dr. Claas Wegner
Osthushenrich-Zentrum für Hochbegabungsforschung an der Fakultät für Biologie (OZHB) an der Universität Bielefeld
Jonas Tillmann beschäftigt sich als wissenschaftlicher Mitarbeiter im OZHB in seiner Forschung mit der Implementation von Satellitenlaboren in Schulen.
Mahdi El Tegani ist ebenfalls im OZHB und beschäftigt sich in seiner Forschung mit dem Einsatz von Simulationen und der Entwicklung von Modellen im Biologieunterricht.
Prof. Dr. Claas Wegner, Leiter des OZHB, forscht zu den Themen Diagnostik und Förderung naturwissenschaftlicher Begabung.
© Headerbild | fotografixx – iStock
