Der Raupenroboter

Entwickeln, Erfinden, Für Fortgeschrittene, mindestens 90 Min., Mit Computer

27. Dezember 2020

Entwickeln Erfinden Fortgeschrittene 90 Min. +

Worum geht’s?

Mit dem Calliope Mini und einem Servo-Motor kannst du einen Roboter bauen, der sich so bewegt wie eine Raupe. Probier es aus, das klappt tatsächlich.

Material

Calliope mini mit Batteriebox
1 Servo mit Servohorn
Krokodil-Servo-Kabel (Wenn du kein solches Kabel hast, dann lerne in der Krokodil-Servo-Kabel-Challenge, wie du eines machen kannst)
Zweite Batteriebox mit 4 Batterien (1.5 V), Akkus 1.2 V oder eine 4.5 Volt Blockbatterie
Karton, Eisendraht, normales und doppelseitiges Klebeband
Fell und Gewichte (z.B. Muttern oder Schrauben)
Anleitung Calliope für Mac oder PC
Anleitung: Servo mit dem Calliope verbinden und steuern
Computer zum Programmieren
Zwei Calliopes, wenn du deinen Roboter fernsteuern willst

So kann’s gehen…

Schneide aus dem Karton zwei Rechtecke von ca. 10 x 12 cm und zwei Rechtecke von ca. 10 x 3 cm.
Überlege, wie du die Kartonstücke mit Klebeband verbinden musst, damit die Bewegung möglich wird.
Überlege dir, wie du den Servomotor anbringen musst, damit sich der Roboter bewegt. Wenn du nicht weisst, wie ein Servomotor funktioniert, dann bearbeite zuerst die Calliope Servo-Challenge.
Öffne die Website https://makecode.calliope.cc und programmiere das Calliope so, dass der Servomotor funktioniert und der Roboter sich bewegt.
Wahrscheinlich bewegt sich Roboter noch an einer Stelle und kommt nicht vorwärts. Überlege, wie du das Fell an den „Füssen“ anbringen musst, damit sich der Roboter in eine Richtung bewegt. Tipp: Streiche mit einem Finger aus verschiedenen Richtungen über das Fell. Spüre, in welche Richtung der Widerstand grösser oder kleiner ist.

Diese Programmierbausteine kannst du für den Raupenroboter gut gebrauchen.

Weitertüfteln

Programmiere das Calliope so, dass der Roboter mit einer Taste startet und mit der anderen stoppt. Du kannst auch das Display des Calliope so programmieren, dass ein Start- oder Stopp-Symbol angezeigt wird.
Verwende ein zweites Calliope, um den Roboter fernzusteuern.
Baue einen Vibrationsmotor so ein, dass damit die Richtung des Roboters gesteuert werden kann. Programmiere dann zwei Calliope so, dass du auch die Richtung fernsteuern kannst.

Tipps und Tricks

Hilfe beim Aufbau

Wenn sich der Roboter zwar bewegt, aber nur an einer Stelle bleibt, dann kann das folgende Gründe haben:

Es hat kein Fell an den «Füssen»: Klebe unten an die Füsse je ein Stück Fell auf.
Das Fell an den Füssen ist nicht richtig angebracht: Die Haare beider Felle müssen in die gleiche Richtung zeigen.
Die Füsse berühren den Untergrund nicht richtig: Kontrolliere, ob sich die Füsse einfach nach oben und unten bewegen lassen. Oft helfen auch kleine Gewichte, die auf die Füsse geklebt werden können
Der Untergrund ist zu glatt: Probiere, ob es auf einem grossen Papier oder auch einem anderen Untergrund geht.

Hilfe beim Programmieren

Damit sich das Servohorn am Servo bewegt, kannst du Werte zwischen 0° und 180° eingeben. Damit sich das Servohorn hin und her bewegt, brauchst du zwei Bausteine für das Servo und damit die Hin- und Herbewegung möglichst gross ist, musst du beim einen Baustein 0° und beim anderen 180° eingeben.

Das Servohorn braucht etwa eine Sekunde, um von der einen Position in die andere zu gelangen. Darum brauchst du den Baustein «pausiere (ms)» und den Wert 1000. Und weil das Servohorn ja hin und zurück muss, brauchst du den Baustein zweimal.

Damit der Roboter nicht nach einem Schritt aufhört, musst du die vier Bausteine noch in der richtigen Reihenfolge in die Schleife «Dauerhaft» einfügen.

Falls du noch mehr Tipps zum Programmieren oder zum Anschliessen eines Servomotors brauchst, kannst du die Calliope 7 – Servochallenge bearbeiten.

Hinweise für Lehrpersonen

Der gesamte Content von MakerStars.org ist creative commons lizenziert.

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Didaktische Hintergrundinformationen zu dieser Challenge können Sie einsehen und downloaden, wenn Sie sich hier kostenlos anmelden.

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Didaktische Hinweise

Die Challenge im Überblick

Challenge	Zeit	Aufgabentyp	Schwierigkeitsgrad	Kreativität und Tüfteln
Mit Computer	90+ Minuten; es handelt sich hierbei um eine Mindestzeitangabe!	Auftragsorientierte Umsetzung	mittel	technisches Problemlösen;

Making-Aktivität: Entwickeln und Erforschen

Das Entwickeln (technisches Problemlösen) steht hier im Vordergrund. Der Bewegungsmechanismus des Roboters muss nicht neu erfunden werden, sondern ist vorgegeben. Es geht darum, mechanische Grundkonzepte anzuwenden und zu einem funktionierenden Prototypen zu verarbeiten (Kraftübertragung durch Hebel, Übersetzung einer Rotation in eine lineare Bewegung, unterschiedliche Reibungskräfte aufgrund unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheit).

Challengecards – Download

Die Challengecard «Raupenroboter» kann hier als pdf-Vorlage heruntergeladen werden. Der QR-Code auf der Challengecard leitet die Schülerinnen und Schüler direkt auf das betreffende Onlineangebot.

Lehrplanbezug (Lehrplan 21)

Fach	Kompetenz	Kompetenzziele
Natur, Mensch, Gesellschaft (NMG)	NMG.3.1h	Die SuS können das Zusammenspiel von Grösse und Richtung von Kräften erkennen und an alltagsnahen Beispielen erläutern (z.B. Ziehen eines schweren Schlittens mit kurzer Schnur, Flugbahn beim Ballwurf).
	NMG.5.1.f	Die SuS können bei technischen Geräten, Bauten und Anlagen naturwissenschaftliche und technische Prinzipien erkennen, die Funktionsweisen beschreiben und erklären (z.B. Konstruktionsweisen bei Fahrrad, Kran, Ruderboot, Barriere). Hebel, Umlenkrolle, Keil, schiefe Ebene, Gleichgewicht, Stabilität, Bewegung
Medien und Informatik (MI)	MI.2.2.e	Die SuS verstehen, dass ein Computer nur vordefinierte Anweisungen ausführen kann und dass ein Programm eine Abfolge von solchen Anweisungen ist.
Technisches und textiles Gestalten (TTG)	TTG.2.B.1.4b	Die SuS können mit beweglichen Konstruktionen experimentieren (z.B. Kugelbahn, Floss, Fallschirm). können Erfahrungen mit Hebel und Kraftübertragung sammeln (z.B. Wippe, Hammer, Zange).

Nötige Vorkenntnisse

Die Schülerinnen und Schüler müssen erste Erfahrungen mit Servomotoren (kurz: Servo) gemacht haben, insbesondere die richtige Verkabelung mit einer zusätzlichen Spannungsquelle sollte bekannt sein. Dazu bietet es sich an, dass sich die Lernenden die nötigen Kompetenzen mit der «Servo-Challenge» erarbeiten (im Auftrag wird darauf hingewiesen). Erfahrungen mit dem Microcontroller Calliope Mini sind von Vorteil – insbesondere auch mit der Programmierung auf der Onlineprogrammierplattform «MakeCode».

Idealerweise wurden im Vorfeld die beiden ersten Calliope Basis-Challenges und die Servo-Challenge durchgearbeitet.

Kreativität

Fell kann unterschiedliche Reibungskräfte erzeugen. Dieser Umstand wird z. B. bei Skitouren angewendet oder ist auch der Grund, warum Eisbären nicht so leicht auf Eis ausrutschen. Zudem kann beim Weitertüfteln das Drehmoment, welches ein Vibrationsmotor auf einen Gegenstand ausübt, zur Richtungssteuerung verwendet werden. Vorangehend können entsprechende Versuche zu den erwünschten Erkenntnissen führen.

Hinweise zur Problemlösung

Vor der Montage des Servo muss dieser in die Neutralstellung gebracht werden. Dies erreicht man, wenn beim Servo-Programmierbaustein der Wert 90° eingegeben, das Programm auf das Calliope übertragen und das Servo angeschlossen wird.