ZUPACKENDES EXPONAT - wissenschaft.de
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ZUPACKENDES EXPONAT

Ein Roboterarm im Industrieformat verführt auf der experimenta zum Ausprobieren und Spielen. Eine völlig neue Exponat-Idee, die mit Hilfe regionaler Unternehmer verwirklicht wurde.

Elegant, kraftvoll, zupackend – so präsentiert sich der Roboterarm im zweiten Obergeschoss der experimenta. In extremer Leichtbauweise aus Aluminium gefertigt, sieht er einem menschlichen Arm ähnlich, mit drei Gelenken und einem Greifmodul anstelle einer Hand. Bis zu vier Mitspieler können den Roboterarm steuern. Dabei kommt es vor allem auf Teamarbeit an, weil jeder Spieler nur eine Bewegungsachse im Griff hat. Das Spielziel: Der Roboterarm soll sich von seiner Ausgangsposition zu einem Ball bewegen, diesen aufheben und ihn zu einem Korb bringen, über dem er den Ball dann fallen lässt.

Gestoppt wird die Zeit, innerhalb derer das Team die Aufgabe löst. Wie schnell es ohne Mitspieler geht, kann in der experimenta ebenfalls getestet werden. Mit nur einem Joystick können alle Gelenke des Arms gleichzeitig bewegt werden. Aufmerksame Beobachter bemerken: Jetzt werden nicht die einzelnen Achsen direkt gesteuert, sondern dem Roboter wird eine Bewegungsrichtung vorgegeben. Wird ihm per Joystick zum Beispiel der Befehlt erteilt: „Gehe nach rechts“, so muss der Roboter automatisch mehrere Gelenke koordiniert bewegen, damit sich insgesamt tatsächlich eine gerade Linie nach rechts ergibt – und nicht etwa eine wilde Schlangenlinie. Am schnellsten und mit minimalem Aufwand bewegt sich der Arm jedoch im vollautomatischen Industriemodus – einfach per Knopfdruck.

DIE IDEE ZU HABEN, IST NICHT SCHWER

Wolfgang Hansch, der Geschäftsführer der experimenta, verspricht sich viel von diesem einzigartigen Ausstellungsstück: „ Wir wollen mit diesem Exponat den Besuchern die allgegenwärtige Hochtechnologie der Robotik nahe bringen.“ Kein geringer Anspruch, das wurde ihm bei der Verwirklichung schnell klar: „ Eine Idee für ein solches Exponat zu haben, ist nicht schwer. Die Umsetzung ist die wahre Herausforderung.“ Schließlich hat ein Ausstellungsstück vier wichtige Kriterien zu erfüllen: Es muss leicht zu bedienen sein. Es muss sich leicht erschließen. Es soll Wissen vermitteln. Und viertens, so Hansch: „Da jeden Tag die unterschiedlichsten Menschen das Gerät bedienen, müssen die Exponate stabil und ungefährlich sein.“

Bereits 2007 wurde die Grundidee geboren. Doch gab es zu diesem Zeitpunkt weder einen geeigneten Roboterarm noch das nötige Know-how für die Umsetzung. „Da bisher in keinem Science Center ein derartiges Exponat steht, konnten wir auch nicht auf vorhandenes Wissen zurückgreifen“, erzählt Hansch. „Uns wurde schnell klar: Ohne Unterstützung aus der Industrie würde das Projekt nicht zu bewerkstelligen sein.“ Die experimenta-Macher hatten Glück. Aus seiner Zeit als Leiter des Naturhistorischen Museums Heilbronn kannte Wolfgang Hansch den Ingenieur Andreas Hoch. Er war bis 2008 Leiter der Vorentwicklung beim Unternehmen Schunk aus Lauffen am Neckar. Schunk ist einer der Weltmarktführer im Bereich Automation und unterstützte damals das Museum bei der Ausstellung „Hightech-Labor Natur“ mit Wissen und Technik. Auch dieses Mal sprang das Unternehmen ein: Es lieferte gleich den ganzen Roboterarm. Umsonst.

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FIRMEN FINDEN SICH ZUSAMMEN

Über Schunk fanden sich schnell weitere Firmen für die Umsetzung: B&R Industrie-Elektronik aus Heilbronn übernahm die Steuerung des Arms. Von der Firma Gessmann aus Leingarten bei Heilbronn kamen die nötigen Schalter – sie werden normalerweise in Lokomotiven eingesetzt – sowie die Joysticks für die Bedienung. Im Alltag kommen sie in Baggern und Kränen zum Einsatz. Des Weiteren stieg die Hochschule Heilbronn mit in das Projekt ein, in Gestalt von Carsten Wittenberg, Professor für Robotik und Automation. Er koordinierte die technische Umsetzung des Roboterarms, während Alexandra Wiemann vom Projektentwickler Petri & Tiemann GmbH, Bremen, für das didaktische Design zuständig war. „Ohne die beteiligten Firmen hätten wir dieses Exponat weder bezahlen noch verwirklichen können“, sagt Hansch und begeistert sich: „So viel Engagement und geistigen Input hatten wir nicht erwartet. Eine derartige Kooperation zwischen Industrie, Exponatbauern, Hochschule und Projektentwicklern ist ein absolutes Novum.“ Bei so vielen Beteiligten waren allein die Teambesprechungen eine logistische Herausforderung. „Schließlich arbeiteten unsere Kooperationspartner aus der Industrie quasi nebenher an unserem Roboterarm“, kommentiert Hansch. Reizvoll fand er das Vermitteln zwischen den unterschiedlichen Denkweisen und Sprachen von Ingenieuren und Pädagogen, die Integration von technischem und didaktischem Anspruch sowie gestalterischen Vorgaben. „Die Ingenieure sind ja gewohnt, alles technisch Machbare auszunutzen und so viele Bewegungsabläufe wie möglich zu automatisieren. Plötzlich ging es jedoch darum, was der Roboter alles nicht können soll und was stattdessen die Spieler übernehmen müssen.“

WELCHE ACHSE NEHMEN WIR?

Andreas Hoch bestätigt das. Denn der Roboterarm kann viel mehr, als man auf den ersten Blick vermuten würde. „Was für den Laien wie ein Gelenk aussieht“, erklärt Hoch, „besteht bei unserem Roboterarm aus zwei eigenständigen Achsen: eine für eine Dreh-, die andere für eine Schwenkbewegung. Hinzu kommt, dass der Arm auf der Unterlage ebenfalls mit einer Drehachse befestigt ist. Er verfügt damit über insgesamt sieben Freiheitsgrade, das heißt sieben Achsen, auf denen er sich bewegen kann.“ Was für den Alltag nur von Vorteil ist, denn der Arm kommt normalerweise beim „Care-O-bot 3″ zum Einsatz, einem mobilen Serviceroboter des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung in Stuttgart. Doch die Ausstellungsmacher stellte diese Auswahl an Bewegungsmöglichkeiten vor Entscheidungsprobleme.

Bodo Hermann, Mitglied der Geschäftsleitung bei B&R Industrie-Elektronik, erzählt: „Wir waren für die Programmierung der Steuerung zuständig und hätten natürlich problemlos jede einzelne der sieben Achsen anfahren können. Das war jedoch nicht gewollt, schließlich sollten nur zwei bis vier Mitspieler das Exponat bedienen.“ Aus didaktischen Gründen sollte jedem nur die Kontrolle über eine einzige Achse anvertraut werden. Für Hoch stellte sich die Frage: „Welche sollte nun angesteuert werden, damit sich der Arm sinnvoll bedienen lässt?“ Am Ende half die Formel: Probieren geht über Studieren. Und so schnappten sich Stefanie Schröder und ihre Kollegin Alexandra Wiemann von Petri&Tiemann kurzerhand die Hebel und spielten drauflos. So konnten sie am einfachsten testen, mit welchen Hebeln sie die Aufgabe, den Ball in den Korb zu befördern, in angemessener Zeit lösen konnten. Schröder erklärt: „Bei einem solchen Exponat ist es wichtig, dass die Aufgabe nicht zu leicht ist, schließlich wollen die Besucher herausgefordert werden. Aber die Spieler dürfen gleichzeitig für die Lösung nicht zu lange brauchen, denn sonst sind sie schnell frustriert.“ Optimal sind nach Erfahrung der Ausstellungsmacherin drei Minuten.

Deshalb verzichtete das Entwicklerteam darauf, das Greifen und Loslassen des Balls den Besuchern als zusätzliche Aufgabe aufzubürden. „Wir haben uns dafür entschieden, die Bedienung des Greifmoduls möglichst einfach zu belassen“, erklärt Carsten Wittenberg. Per Knopfdruck öffnet sich der Greifer, per Knopfdruck schließt er sich wieder. So können sich die Besucher ganz auf die Steuerung des Arms konzentrieren.

LERNEN, WAS INGENIEURE LEISTEN

Und was lernen die Besucher bei dem Exponat? Mit zwei bis vier Mitspielern einen Roboterarm mit vier Freiheitsgraden zu steuern, ist eine geistige Herausforderung. Sie verlangt dem menschlichen Gehirn einiges ab. Doch was hier spielerisch ausprobiert wird, hat natürlich auch einiges mit dem Programm zu tun, mit dem der Roboter im vollautomatischen Zustand gefahren wird. Wer solche Programme schreibt, muss sich sehr sorgfältig Gedanken darüber machen, wie die verschiedenen Parameter zusammenwirken. So wie der Besucher jede einzelne Achse des Arms ansteuert, muss auch ein Programm vorgeben, welche Achse wie bewegt werden muss, um den Arm in eine bestimmte Richtung zu lenken. Hinzu kommt, dass beim Roboter genau festzulegen ist, wie sich der Arm in Bezug auf den ihn umgebenden Raum bewegt. Beim Menschen übernehmen die Augen ganz selbstverständlich diese Funktion. Beim Roboter muss ein Koordinatensystem als Bezugssystem festgelegt werden. Innerhalb dieses Koordinatensystems bewegt sich der Arm dann im komplexen Zusammenspiel seiner verschiedenen Gelenke. Selbst hier ist also, wenn auch programmiert, Teamarbeit gefragt. Die Besucher der experimenta bekommen eine Idee davon, was Ingenieure und Informatiker beim Roboterbau zu leisten haben. Deshalb ist der Roboterarm aus Sicht von Christian Sichau, dem Leiter der Ausstellungsentwicklung der experimenta, geradezu ein ideales Exponat: „Wir wollen in der experimenta auf unterhaltsame und zugleich lehrreiche Weise unseren Besuchern einen Einblick in die heutige Welt der Wissenschaft und Technik bieten. Wie kann das besser gelingen als mit einem Roboter, der bereits Anwendung findet!“

Wen der Roboterarm fasziniert, der kann nur ein paar Schritte weiter einem Roboter das Werfen eines Balls „beibringen“. Wer noch mehr Robotik machen möchte, findet im vierten Obergeschoss eine „Roboschmiede“. Hier können Besucher mit Robotern ein Dominospiel aufbauen und sich sogar selbst am Programmieren versuchen. ■

von Anke Biester

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