Die Roboter Werkstatt für Kids

Das Internet der Dinge (IOT)

Tilly`s Roboterwerkstatt ist nur ein Beispiel, das veranschaulichen soll, welche Möglichkeiten die neuen 3D Technologien bieten. Es ist wieder möglich, im Keller oder in einer Garage seine Konstruktionen in Produkte umzuwandeln. So, wie es Benz, Krupp und Co. seiner Zeit bei der Industriellen Revolution getan haben. 

By The Way...können Kids spielerisch an Technologien herangeführt werden und eine super Förderung erfahren, die nicht viel kostet. An einem Modell Roboter lassen sich Naturwissenschaften sehr gut lehren und begreifbar machen. Handwerkliches Geschick wird gefördert und die Schüler bekommen einen Eindruck, was man unter Mechanik, Elektrik, Elektronik und Informatik versteht. Auch der Chemiker kommt nicht zu kurz, denn man kann in einer Projekt Gruppe einen Extruder bauen, wo man aus alten PET Getränkeflaschen sein eigenes Filament für den 3D Drucker gewinnt.

Grundsätzlicher Aufbau eines Industrie Roboter:

Die Bezeichnung der Roboter Achsen ist immer gleich und simuliert die rechte menschliche Körperhälfte. Wobei die Hüfte die Achse 1, die Schulter die Achse 3 und die Hand die Achse 6 ist. Bei der Programmierung ist es wichtig immer zu wissen, welche der Achsen ich nun in Bewegung setze.

In der Automobilindustrie kommen oft Industrieroboter (IR) mit 6 Achsen zum Einsatz. Geräte von KUKA, FANUC, NACHI, ABB, Kawasaki usw. kommen 1000 Fach zum Einsatz. Es gibt noch andere Bauformen die mit weniger Achsen auskommen, die zum Beispiel schwere Gegenstände tragen und auf Paletten stapeln oder Roboter mit nur zwei Achsen die Platinen bestücken und löten.

Wir haben vier Modelle ausgesucht, die eine große Zahl von Roboter Anwendung in der Industrie (Automotiv) abdecken.. Je mehr Achsen ein Roboter hat, desto größer ist der Aufwand in der Programmierung. Wir können die Programmieraufgaben staffeln, von einfach ("Überwachungskamera" mit 2 Achsen) bis schwer. Für anspruchsvolle Aufgaben werden die Roboter später zu einer Insel zusammengefügt und miteinander Vernetzt. Es erfolgt dann eine Prozessüberwachung mit Motion Ey und Sprachsteuerung.

Im ersten Schritt haben wir geschaut, welche Maker bereits fertige Roboter Modelle (Open Source) erstellt haben und kostenlos für private Nutzung zur Verfügung stellen. 

Folgende Datenbanken haben wir gesichtet:

https://www.thingiverse.com/

https://www.myminifactory.com/

https://www.instructables.com

Unser Test Roboter:

Quelle:

Simple Robotic Remote Control Arm 

https://biqu.myminifactory.com/object/3d-print-simple-robotic-remote-control-arm-80893

Vorteile: Dieser Roboter ist robust und hat starke Servomotoren. Er kann als 3 Achser oder mit 4 Achsen und mehr ausgeführt werden. Die Konstruktion erlaubt auch mal einen Fehler im Programm.

Diesen Roboter empfehlen wir für die ersten Programmier Erfahrungen zu sammeln. 

Nachteile: Begrenzter Arbeitsraum, je Anzahl der Achsen.

Der Paletierroboter:

Quelle:

Open Source Robotic Arm (Lite Arm i2)

https://www.thingiverse.com/thing:480446

Vorteile: mit einer Spannweite von fast 500 mm ist es unser größter Roboter. Die Starken Servos (MG996R) geben ihm Kraft. Die Geometrie (Knickarm) spiegelt die ersten Roboteranwendungen der 1980ziger Jahre wieder. Im Handling bereich ist diese Bauart nicht wegzudenken.

Nachteil: Dieser Roboter muss von den Kids sauber programmiert werden. Wegen seiner Geometrie und dem "Hebelgesetz" verzeiht der Roboter kaum Fehler im Programm. Es ist ratsam vorher sein Programm auf einem kleinen Roboter zu testen.

Der Industrie Roboter (IR):

Quelle:

DIY Arduino Robot Arm with Smartphone Control

https://howtomechatronics.com/tutorials/arduino/diy-arduino-robot-arm-with-smartphone-control/

Dieser 6 Achs Roboter ermöglicht ein sehr reales Training mit einem Roboter,so wie er zum Beispiel in der Automobil Industrie eingesetzt wird. Dies ist natürlich ein Modell, aber man bekommt ein Gefühl sich in der 3. Dimension zu bewegen. Es ist ratsam, diesen Roboter mit etwas Programmiererfahrungen zu bedienen.

Vorteile: Mit den 6 Achsen lassen sich alle Punkte im Raum anfahren und programmieren. Sehr beweglich und robust.

Nachteil: Größerer Aufwand in der Programmierung.

Motion Cam

Prozessüberwachung

Mit einem Pi Zero, einer Pi Cam und zwei Servo SG90 lässt sich ganz einfach ein kleiner Roboter mit zwei Achsen aufbauen. Für erfahrene Programmierer benutzen wir diese Cam als Prozessüberwachung und für die Positionskontrolle.

In diesem Beispiel wird die Motion Cam über einen Joystick und den Pfeiltasten bewegt.

Hauptbestandteile: Beispiel Industrieroboter

Kosten:

Einen Modell Roboter mit 6 Achsen selber herzustellen kostet ca. 100,- €. Setzt aber voraus, dass man einen eigenen 3D Drucker besitzt. Die 3D Teile extern drucken zu lassen rechnet sich nicht. Wenn man sich einen eigenen Roboter zusammengebaut hat, ist man auch frei in der Wahl der Elektronik und welchen Controller man einsetzt. Man kennt dann seine Maschine und kann bei Crash alles selber reparieren.

Es gibt Roboter Arm Bausätze für einen 6 Achser, die auch nicht schlecht sind. Die Kosten liegen bei ca. 180,- €. Bitte darauf achten, dass die Servos und der Arduino Controller beinhaltet sind.

China Bausatz 

Preise und Ausstattungen können variieren.

Wenn du deinen eigenen Roboter druckst:

Die Mechanik der einzelnen Roboter- Modelle haben wir uns aus dem Internet heruntergeladen. Die Druckdateien haben wir als *.stl Datei in dem Programm TinkerCad importiert.

Die Konstruktionen werden nur privat verwendet und nicht öffentlich geteilt. Wir passen die Bauteile an unsere Bedürfnisse an und erstellen Varianten (Variantenkonstruktion). Wir benutzen die 3D Drucker Software CURA dort setzen wir alle Parameter für unseren 3D Drucker.

Je nach Bauteil setzen wir die Qualität auf 0,4 mm = Niedrig oder 0,2 mm =Hoch. Bei der Qualität von 0,4 mm ist der Druck fast doppelt so schnell fertig, die Genauigkeit jedoch nicht so präzise. Bei einer Platte zB. spielt das kaum eine Rolle (siehe Beispiel).

Nachdem der Drucker Einsatzbereit ist legen wir die SD Karte ein und starten den Druck.

Beispiel Greifer

Danach montieren wir den Roboter auf einem Montagebrett, damit der Roboter im Betrieb die richtige Standfestigkeit hat. Beim montieren der Servo Motoren ist auf deren Stellung zu achten 0-90-180 Grad, damit der Roboter die größtmögliche Bewegung der Achsen hat. Bei Auslieferung der Servomotoren stehen diese meistens auf der Mittelstellung (90 Grad).

Der elektrische Anschluss orientiert sich an deine Anwendung. Es gibt viele Beispiele im Internet. Wir verwenden folgende Varianten.

1. ARDUINO UNO/MEGA für einfache Programmierung am PC
2. ARDUINO UNO/MEGA mit Bluetooth - Steuerung über Smartphone
3. NodeMCU ESP8266 Entwicklungs- Board - Steuerung über Internet

Programmieren lernen:

Jeder von uns hat sich schon durch zahlreiche Programme (Codes) durchgearbeitet und von Schritt zu Schritt seine Anwendungen verbessert. Für diejenigen, die neu mit dem Programmieren anfangen gibt es einige interessante Programm Oberflächen, die das Programmieren vereinfachen. Profis unter euch werden weiterhin in der IDE per Editor die Befehle direkt eingeben. 

Tinkercad Circuits: https://www.tinkercad.com/circuits ist eine gute Anwendung für Programmierer, die vor kurzem erst begonnen haben.

Hier erstellst du deinen Schaltplan, holst dir eine Standard Anwendung (Servo) mit deinem Arduino und gibst einfach die Pin an wo dein Servo Signal eingesteckt hast und bevor du mit dem Roboter crash fährst, simulierst du das Verhalten von deinem Servo Motor. Dann fügst du weitere Servos hinzu. Du kannst dann den Code herunterladen und in der Arduino IDE bearbeiten.

https://www.tinkercad.com/circuits