VDIni-Club Berlin im VDI Bezirksverein Berlin-Brandenburg e. V. Reinhardtstraße 27 b | 10117 Berlin

Das LEGO®MINDSTORMS®Robotik-Labor im VDIni-Club Berlin Zielgruppe: Anfänger/innen Liebe VDInis, liebe Eltern, Roboter sind faszinierend, nicht wahr? Selbstständig denkende und handelnde Maschinen, die dort helfen, wo es für uns Menschen zu schwer oder zu gefährlich wird: An der Produktionsstraße, im Weltall, unter Wasser, in Trümmern eines beschädigten Kernkraftwerks – aber z.B. auch im OP, wo man über Stunden eine „ruhige Hand“ bewahren muss. Die Idee, einen mechanischen Menschen zu erschaffen, der das Leben seines Schöpfers und der gesamten Menschheit erleichtern soll, beschäftigt die Menschen schon seit über hundert Jahren – allen voran freilich die Künstler. Filmemacher Georges Méliès (bekannt aus „Die Entdeckung des Hugo Cabret“) zeigte bereits 1897 in seinem Kurzfilm „Gugusse et l'Automate“ die Auseinandersetzung zwischen dem Clown Gugusse und einem Automaten. Der Begriff „Roboter“ (im Original: Robot) wurde von Josef Čapek erfunden und 1921 von Karel Čapek in seinem Drama „R.U.R.“ verwendet. Seitdem sind Tausende von Romanen, Filmen, Theaterstücken und Kinderbüchern entstanden, die sich mit Robotern beschäftigen. Der VDIni-Club Berlin möchte sich ganz praktisch mit Robotern auseinandersetzen, indem wir selbst welche bauen und ihnen ein Stück „Intelligenz“ einhauchen. Mit den richtigen Hilfsmitteln ist es gar nicht so schwer! Für das Robotik-Labor setzen wir aktuelle LEGO®MINDSTORMS®EV3-Bausätze ein, die wir je nach Bedarf durch zusätzliche Elemente (LEGO®Technic-Baumaterial, Hindernisse, Zielobjekte usw.) ergänzen. In den Workshops werden sowohl das individuelle Begreifen der Zusammenhänge zwischen mechanischem Aufbau und der Steuerungslogik, als auch das Teamwork gefördert. Zukünftig wollen wir als VDIni-Club Berlin bei Veranstaltungen wie beispielsweise FIRST® LEGO® League oder RoboCup Junior antreten. Koordination des Robotik-Labors: Stand des Dokumentes:

Evgenij Smirnov ([email protected]) 20.04.2015

VDI-Richtlinie 2860 „Industrie-Roboter sind universell einsetzbare Bewegungsautomaten mit mehreren Achsen, deren Bewegungen hinsichtlich Bewegungsfolge und Wegen bzw. Winkeln frei (d. h., ohne mechanischen bzw. menschlichen Eingriff) programmierbar und gegebenenfalls sensorgeführt sind. Sie sind mit Greifern, Werkzeugen oder anderen Fertigungsmitteln ausrüstbar und können Handhabungs- und/oder Fertigungsaufgaben ausführen.“

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Workshop-Übersicht Unser Workshop-Zyklus für Anfänger/innen hat zum Ziel, grundlegende Techniken zu erlernen, die beim Bau von LEGO®-Robotern wichtig sind – sowohl in der Konstruktion als auch in der Programmierung der robotischen Logik. Der Zyklus besteht aus folgenden sieben Veranstaltungen: Nr. Titel A01 Freiheit für die Roboter!

A02 Roboter auf (Ab)Wegen A03 Roboter kreativ

A04 Roboter haben alles im Griff! A11 Roboter suchen (und finden) A12 Roboter lernen laufen A13 Cliffhanger im LEGO®-Land

Thema Roboter finden einen Ausweg aus einem Raum – virtuell (durch Linien begrenzt) oder physisch (durch Wände begrenzt). Roboter lernen, einer Linie zu folgen oder auf einer Straße (zwischen Begrenzungslinien) zu bleiben. Wir erforschen die Möglichkeiten, mit Hilfe unserer LegoRoboter Muster auf Papier zu zeichnen oder sinnvolle Geräusche zu produzieren. Wir konstruieren und programmieren eine robotische Greifhand. Anhand verschiedener Aufgaben bringen wir den Robotern bei, einen Gegenstand im Gelände zu suchen. Wir konstruieren einen echten Laufroboter. Diesmal agieren unsere Roboter aus der „HängePerspektive“ am Seil und lösen verschiedene Aufgaben.

Einzelheiten zu allen Veranstaltungen (Ablauf, Voraussetzungen usw.) werden nachfolgend näher beschrieben.

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Regeln und Teilnahmehinweise Da es sich bei dem Robotik-Labor um eine Veranstaltungsreihe handelt, die inhaltlich aufeinander aufbaut, sind ein paar Teilnahmehinweise und Regeln formuliert. Folgendes sollte im Vorfeld beachtet werden: 1. Jeder Workshop wird in Teams aus je zwei bis drei VDInis, je nach Stand der Anmeldungen, durchgeführt. Dabei liegt der Fokus auf selbständiger gemeinsamer Arbeit im Team. 2. Anwesende Eltern und Club-Betreuer/innen sind angehalten nur in Ausnahmefällen zu unterstützen. 3. Die derzeit zur Verfügung stehende Infrastruktur erlaubt uns, die Workshops für maximal drei Teams pro Termin anzubieten. 4. Das Labor ist inhaltlich in zwei Abschnitte aufgeteilt: Abschnitt 0 = Grundlagen: Die Workshops A01-A04 vermitteln Sicherheit im Umgang mit den Komponenten und der Programmiersoftware und sensibilisieren für typische Aufgabestellungen und deren Lösungen. Abschnitt 1 = Anwendungen: Die Workshops A11-A13 kombinieren die Erkenntnisse aus dem ersten Abschnitt. 5. Die beiden Abschnitte des Labors bauen aufeinander auf. Daher setzen wir voraus, dass jeder VDIni an mindestens zwei A0x-Workshops teilgenommen hat, bevor er sich zu einem A1xWorkshop anmelden kann. Wir empfehlen jedem interessierten VDIni, alle vier A0xWorkshops zu besuchen, und werden uns Mühe geben, sie in ausreichender Anzahl anzubieten. Wer sich schon seit längerem mit LEGO®-Robotik beschäftigt oder bereits einen Kurs (z.B. an der Technikschule) absolviert hat, kann dies gern bei der ersten Teilnahme oder sogar bereits bei der Anmeldung ansagen und im ersten A0x-Workshop sein/ihr Können unter Beweis stellen. 6. Jede/r Teilnehmende bekommt einen Labor-Pass, auf dem sein Fortschritt durch die Workshops vermerkt wird. Bitte bewahrt den Pass gut auf und bringt ihn zu allen RobotikWorkshops mit, die ihr besucht! 7. Wir archivieren die durch die VDInis erstellten Programme grundsätzlich nicht, nach dem Workshop werden sowohl die verwendeten Notebooks als auch der Speicher der MindStorms-Bausteine bereinigt. Wer einen USB-Stick oder eine SD-Karte mitbringt, kann sein Werk aber mit nach Hause nehmen – und vielleicht zum nächsten Workshop mitbringen, um einfach weiterzumachen. 8. Ideen, Hinweise und aktive Eltern, die bei der Organisation und Durchführung der Workshops mitmachen wollen sind stets willkommen! Kontakt per E-Mail an [email protected].

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Workshop A01: Freiheit für die Roboter! Intelligente Roboter unterscheiden sich von anderen nützlichen Maschinen dadurch, dass sie selbstständig auf ihre Umgebung reagieren und Entscheidungen treffen können – fast wie wir Menschen. Eine sehr wichtige Fähigkeit dabei ist, sich aus misslichen Lagen selbst befreien zu können. Mit Hilfe von LEGO®MindStorms®EV3 wollen wir versuchen, einfache Fahrzeuge mit dieser Fähigkeit auszustatten und sie so zu echten Robotern zu machen. Als erstes werden wir uns die beiden Fahrzeuge anschauen, die für die Lösung der gestellten Aufgaben geeignet sind: Den VDIni-Rover und den VDIni-Trucker. Die Teams finden sich zusammen und bauen das Fahrzeug ihrer Wahl. Durch die einfachen und robusten Designs ist dies schnell erledigt, und wir können uns den Programmieraufgaben zuwenden. Es folgt eine kurze Einführung in die MindStorms®-Programmieroberfläche, ein paar grundlegende Techniken, und schon kann es mit den ersten Aufgaben losgehen: Im Rechteck fahren, im Kreis fahren, eine Acht fahren. So lernen wir die Dynamik unserer Fahrzeuge kennen, damit wir später auf die gewonnenen Erkenntnisse zurückgreifen können. Je nachdem, für welche Art der Hindernisse (Linien oder Wände) sich die Teams entschieden haben, beschäftigen wir uns nun mit Hindernis-Erkennung und dem Zurückweichen vor Hindernissen. Die erste echte „Selbstbefreiungsaufgabe“ sieht einen rechteckigen Kasten mit einem relativ schmalen Ausgang vor. Diesen gilt es zu finden und zu benutzen, um aus dem Kasten herauszukommen – unabhängig davon, an welcher Stelle im Kasten der Roboter gestartet ist. Ist die Aufgabe erfolgreich gemeistert, wird der „Käfig“ komplexer, aus dem der Roboter sich befreien soll. Am Ende des Workshops folgt eine kurze Vorstellung der Ergebnisse durch die Teams. Je nach verbleibender Zeit können noch weitere verwandte Aufgaben angegangen oder die erstellten Programme gemeinsam optimiert werden.

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Workshop A02: Roboter auf (Ab)Wegen Selbstfahrende Autos sind in aller Munde – Roboter, die extra dafür programmiert wurden, ihren Weg durch den Dschungel des Straßenverkehrs zu finden und die Passagiere sicher zum gewünschten Zielort zu bringen. Die wohl wichtigste Fähigkeit dabei ist, zuverlässig in der richtigen Spur zu bleiben. Mit Hilfe von LEGO®MindStorms®EV3 wollen wir versuchen, einfache Fahrzeuge mit dieser Fähigkeit auszustatten und so den ersten Schritt in Richtung selbstfahrendes Auto in unserem VDIni-Robotik-Labor zu gehen. Als erstes werden wir uns die beiden Fahrzeuge anschauen, die für die Lösung der gestellten Aufgaben geeignet sind: Den VDIni-Rover und den VDIni-Tracker. Die Teams finden sich zusammen und bauen das Fahrzeug ihrer Wahl. Durch die einfachen und robusten Designs ist dies schnell erledigt, und wir können uns den Programmieraufgaben zuwenden. Sofern alle oder die Mehrheit der Kinder bereits am Workshop A01 teilgenommen haben, ist dieser Teil umso schneller erledigt. Sofern erforderlich, folgt nun eine kurze Einführung in die MindStorms®-Programmieroberfläche, ein paar grundlegende Techniken, und schon kann es mit den ersten Aufgaben „zum Aufwärmen“ losgehen: Im Rechteck fahren, im Kreis fahren, eine Acht fahren. Danach starten wir mit den „richtigen“ Aufgaben: Einer dicken Linie folgen, zwischen zwei Linien bleiben. Je nach Fortschritt der Gruppe werden die Aufgaben komplexer. Am Ende des Workshops folgt eine kurze Vorstellung der Ergebnisse durch die Teams. Je nach verbleibender Zeit können noch weitere Aufgaben angegangen werden oder die erstellten Programme gemeinsam optimiert werden.

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Workshop A03: Roboter kreativ Roboter wären keine Roboter, wenn sie nicht mit ihrer Umgebung kommunizieren würden. Mit Hilfe von LEGO®MindStorms®EV3 wollen wir erforschen, wie man Bilder – auf den Bildschirm des Robotik-Bausteins und aufs Papier – zaubern kann. Ein weiteres Thema dieses Workshops ist das Produzieren von Geräuschen und Melodien mit dem LEGO®Robotik-Baustein. Diesmal wird nicht herumgefahren, sondern wir beschäftigen uns mit den Möglichkeiten multimedialer Ausgabe durch die MindStorms®-Roboter. Zum „Aufwärmen“ fangen wir damit an, Muster, Bilder und Texte auf den Bildschirm des Robotik-Bausteins zu zaubern – in Abhängigkeit von Sensorwerten, nach Zeit usw. Bei Bedarf erfolgt vorher eine kurze Einweisung in die Bedienung und Programmierung des MindStorms®-Bausteins. Ist dieser Teil gemeistert, steht jeder Gruppe frei, sich weiter mit visueller Ausgabe – diesmal auf echtem Papier – oder mit Klängen und Melodien zu beschäftigen. Für die Papierausgabe basteln wir einen robotischen Plotter. Die Erfahrungen aus der Bildschirmausgabe können zwar helfen, diesen zu steuern, aber es sind genug Tücken dabei, die den Spaß- und Lernfaktor unverändert hoch halten. Für den Soundteil können entweder eigene Geräusche kreiert oder mit den vorhandenen Klangdateien und Noten gearbeitet werden. Wie wäre es z.B. mit einem Musikinstrument, das auf die Entfernung reagiert und abhängig davon die Tonhöhe verändert? (Ein solches Instrument hat es übrigens auch ohne Roboter einmal gegeben, in den 1920er Jahren: Es hieß „Thermenvox“ oder auch „Theremin“ nach seinem Erfinder und funktionierte nach einem rein elektrischen Prinzip.) Am Ende des Workshops folgt eine kurze Vorstellung der Ergebnisse durch die Teams. Je nach verbleibender Zeit können noch weitere Aufgaben angegangen werden oder die erstellten Programme gemeinsam optimiert werden.

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Workshop A04: Roboter haben alles im Griff Die Hand ist das komplexeste und wohl auch das wichtigste „Werkzeug“ des menschlichen Körpers. Wenn ein Roboter dem Menschen bei seinen Tätigkeiten „zur Hand“ gehen soll, braucht auch er ein Greifwerkzeug. In diesem Workshop wollen wir uns also mit dem Thema „Greifen“ beschäftigen und verschiedene Annäherungen an die Menschenhand konstruieren – inklusive der Bewegungsintelligenz in unserem MindStorms-Robotik-Baustein. Die Aufgabe, ein Greifwerkzeug aus LEGO® zu konstruieren, ist ziemlich anspruchsvoll. Dies auch noch motorisch angetrieben und mit Bewegungsintelligenz zu versehen dürfte den Workshop gut ausfüllen. Dennoch erfolgt eingangs, sofern von den Teilnehmern her erforderlich, eine Kurzeinweisung in die Bedienung und Programmierung der MindStorms®-Ausrüstung. Wir werden uns mit dem Thema „Greifen“ beschäftigen und diverse Objekte betrachten, die unser Greifer „zu fassen kriegen“ soll – Kugel, Würfel, Stange usw. Alle haben ihre Tücken und besondere Herausforderungen, unser Ziel ist aber die Universalität. Am Ende des Workshops folgt eine kurze Vorstellung der Ergebnisse durch die Teams. Je nach verbleibender Zeit können noch weitere Aufgaben angegangen werden oder die erstellten Programme gemeinsam optimiert werden.

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Workshop A11: Roboter suchen (und finden) Wie findet eigentlich ein selbstfahrender Rasenmäher seine Ladestation? Woher wissen die RoboCup-Fußball-Roboter, wo der Ball ist und wo das gegnerische Tor steht? Mit Hilfe von LEGO®MindStorms®EV3 wollen wir versuchen, Antworten auf diese und weitere Fragen zu finden, indem wir unsere Maschinen nach Infrarot-Lichtquellen suchen lassen. Dies ist der erste Workshop für „fortgeschrittene Anfänger/innen“. Daher findet hier keine Einweisung mehr statt. Unsere Designs für die fahrenden Roboter sollten den Teilnehmenden auch schon aus den Workshops A01 und A02 bekannt sein. Wir werden uns gezielt mit dem Infrarot-Sensor und entsprechenden IR-Lichtquellen beschäftigen und erforschen, wie man Gegenstände optimal im Raum auffindet und ob z.B. mehrere Roboter sich dabei gegenseitig behindern. Falls Zeit bleibt, können wir auch versuchen, ein „Andockmanöver“ mit zwei Robotern oder andere interessante Such- und Findeaufgaben zu programmieren. Am Ende des Workshops folgt eine kurze Vorstellung der Ergebnisse durch die Teams. Je nach verbleibender Zeit können noch weitere Aufgaben angegangen werden oder die erstellten Programme gemeinsam optimiert werden.

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Workshop A12: Roboter lernen laufen Wenn man im Spielzeugbedarf (und auch bei LEGO®) einen Roboter auf zwei Beinen sieht, so verbirgt sich dahinter ja in der Regel ein Fahr-Roboter, der an den Füßen kleine Räder oder Raupenketten hat. Wir wollen uns der Herausforderung stellen, einen echten Laufroboter zu bauen, der sich mit Schritten fortbewegt und die Beine dafür abwechselnd hebt. Bei diesem Workshop findet keine Einweisung mehr statt. Wir bauen einen zweibeinigen Gehroboter und versuchen dabei die Einschränkungen des vorhandenen Materials zu berücksichtigen. Nach den ersten „Gehversuchen“ setzen wir uns kurz zusammen und schauen, ob wir das vorhandene Material bündeln und lieber einen Vierbeiner bauen wollen oder ob wir bei Zweibeinern bleiben. Weitere Aufgaben werden – wer hätte es gedacht – das Abbiegen und Treppensteigen beinhalten. Mal sehen, wie weit wir hier kommen! Am Ende des Workshops folgt eine kurze Vorstellung der Ergebnisse durch die Teams. Je nach verbleibender Zeit können noch weitere Aufgaben angegangen werden oder die erstellten Programme gemeinsam optimiert werden.

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Workshop A13: Cliffhanger im LEGO®-Land Unsere LEGO®MindStorms®EV3 gehen in die Luft – an einem robusten Seil hängend bewegen sich die Roboter nun über dem Boden und betrachten die gestellten Aufgaben aus der Vogelperspektive. Bei diesem Workshop findet keine Einweisung mehr statt. Ein stabiles Seil, über dem Boden gespannt, bildet diesmal den Bewegungsraum für unsere Roboter. Die Teams entwickeln gemeinsam den optimalen Antrieb und die Aufhängung. Dabei ist zu beachten, dass die Roboter möglichst ohne größeren Aufwand vom Seil abnehmbar sein sollten. Die Aufgaben, die sich die Teams aussuchen können, reichen vom Auffinden von Gegenständen am Boden über den Transport von Lasten von A nach B bis hin zu „mathematischen“ Aufgaben wie z.B. die Mitte des Seils auffinden (wem das nicht anspruchsvoll genug ist, kann gern das Siebtel der Seillänge suchen, und wir messen dann nach). Am Ende des Workshops folgt eine kurze Vorstellung der Ergebnisse durch die Teams. Je nach verbleibender Zeit können noch weitere Aufgaben angegangen werden oder die erstellten Programme gemeinsam optimiert werden.

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Ausblick: Das Robotik-Labor für Fortgeschrittene Das VDIni Robotik-Labor für Anfänger/innen ist nur der Anfang! Mit unseren LEGO®MindStorms®EV3 geht noch viel mehr – und das werden wir voraussichtlich ab 2016 mit den VDInis, die das Anfänger/innen-Labor absolviert haben, gemeinsam erforschen und entwickeln. Auch für die älter werdenden VDInis werden wir entsprechende Veranstaltungen anbieten. Hier ist nur ein kleiner Vorgeschmack dafür, was wir vorhaben:     

Komplexe Roboter aus mehreren LEGO®-Robotik-Bausteinen Zusammenarbeit mehrerer Roboter mit Kommunikation über Bluetooth Kommunikation zwischen Mensch und Roboter Einfache selbstlernende Maschinen …und viele andere Konstruktions- und Programmierungs-Herausforderungen

Wir freuen uns darauf, mit euch zusammen die spannende Welt der Robotik zu erkunden und viele interessante Stunden zusammen zu verbringen! Das Team des VDIni-Club Berlin