Zoobotics: Vier- und sechsbeinige Pappkameraden
Als wir auf der Makerfaire in Hannover im Juli dieses Jahres die Zoobotics(öffnet im neuen Fenster) gesehen haben, sind wir sofort neugierig geworden: zum einen sind Bausätze für mehrbeinig krabbelnde Roboter noch die Ausnahme, zum anderen waren wir über die Chassis verblüfft - es handelte sich um eine Kombination aus Pappe und Papier. Golem.de hat deshalb mit Daniel Koycba, einem der Macher von Zoobotics, darüber gesprochen, wieso sie diese Materialen auswählten und warum er glaubt, dass das Konzept funktioniert.
Lernen mit Krabblern
Die ZURIs von Zoobotics sind eine geplante Serie von Bausätzen für vier oder sechsbeinige Laufroboter unterschiedlicher Größe. Je nach Modell hat jedes Bein 2 oder 3 Freiheitsgrade, jeder Freiheitsgrad entspricht einem Gelenk.
Auffälligstes Merkmal ist die Konstruktion mit Pappe. Das soll zum einen den Preis reduzieren, zum anderen einfache Veränderungen und Modifikation erlauben. Durch die Verwendung von Pappe beschränkt sich der Einsatz auf trockene Räume - die Macher verstehen ihren Bausatz aber vor allem als ausbaubare Lern- und Experimentierplattform ab 14 Jahren, nicht als fertiges Outdoor-Spielzeug.
Die Idee dazu hatten die selbstständigen Industriedesigner Daniel Koycba, Wilhelm von Bodelschwingh und der UI-Designer Nils Clark-Bernhard schon vor einiger Zeit, und in den letzten drei Jahren bauten sie bereits einige Prototypen. Ernsthaft eingestiegen sind sie Anfang des Jahres, indem sie die Prototypen der Zuri-Roboter der Öffentlichkeit präsentierten und die Firma Zoobotics gründeten.
Pappe ist besser als ihr Ruf
"Zu Plastik und Metall hat man tatsächlich ein gewisses Grundvertrauen" , was die Belastbarkeit des Materials angehe, gibt Daniel unumwunden zu. Aber auch Pappe ermögliche stabile Konstruktionen, habe nur ein geringes Eigengewicht, sei sehr leicht zu ver- und bearbeiten und sei zudem preiswerter als andere Materialen.
Feuchtigkeit ist natürlich ein Problem, auch weil die Macher auf spezielle, teure Beschichtungen verzichten wollen. Lediglich die empfindlicheren Schnittkanten sollen mit etwas Leim imprägniert werden. Doch Feuchtigkeit ist nicht nur bei Pappe problematisch, das gilt genauso für unbehandeltes Holz. Und vollkommen unabhängig vom Baumaterial - Wasser und Elektronik sind immer eine schlechte Kombination.
Bleibt noch ein weiteres Argument gegen Pappe: die leichte Brennbarkeit. Daniel verweist hier auf die mehrjährige Erfahrung, welche sie mit ihren Konstruktionen gemacht hätten: "Die verwendete Elektronik wurde niemals so heiß, dass dabei eine Gefahr bestand." Da sich die Temperaturentwicklung in Grenzen halte, sei es auch nicht notwendig, das Chassis zur Wärmeableitung zu nutzen.
Qual der Wahl bei Papier und Pappe
Bei der Auswahl der Pappe hat der Favorit laut den Entwicklern recht schnell festgestanden: 3 mm dicke Graupappe sollte es sein, da sie stabil genug ist. Beim Papier war die Auswahl größer und schwerer: Nicht nur unterschiedliche Stärken gibt es, auch unterschiedliche Oberflächenarten wie gestrichen oder offenporig. Hier haben die Macher viel und lange herumprobiert und einigten sich schließlich auf gestrichenes Papier mit einem Flächengewicht von 200 g/qm, das alle konstruktiven Anforderungen erfüllt. Es ist stabil genug, lässt sich gut falten und verschmutzt nicht so schnell.
Laut Daniel stand auch die Verwendung besonderer Sorten mit speziellen Beschichtungen zur Diskussion. Sie haben sich aber dagegen entschieden, da es den Preis für den Bausatz zu stark in die Höhe treiben würde. Die ausgewählten Papier- und Pappesorten gibt es in jedem besseren Bastelladen.
Mit Pappe bauen
Unabhängig von der Papiersorte seien aber sauber ausgeführte Schnitte notwendig, um eine robuste Konstruktion zu schaffen. Mit der Hand per Schere zu schneiden sei zu ungenau, mit einem Cutter-Messer erfordere es Sorgfalt, sagt Daniel. Für eine richtige Produktion seien diese Methoden ungeeignet. Es gebe aber längst eine Vielzahl von Firmen, die ganz selbstverständlich und bezahlbar auch Papp- und Papierzuschnitte auf Basis von CAD-Vorlagen durchführten.
Die so ausgeschnittenen Teile werden zum Teil miteinander verklebt - Pappteile und Elektronik aber vor allem miteinander verschraubt. Letzteres klingt ungewöhnlich, laut Daniel ist das aber überhaupt kein Problem. Mit Flachkopf-Schrauben reißt das Material auch bei Belastung nicht ein.
Auch an anderen besonders belasteten Stellen reicht Papier: an den Gelenken der Beine. Die notwendigen Achsen werden aus Papier gerollt.
Ein Arduino als Roboterhirn
Bei der eingesetzten Elektronik und den Bauelementen sind die Macher weniger experimentierfreudig: Die technische Basis bildet bei den kleineren Modellen ein Arduino Uno. Er reicht aus, um per Zusatzplatine bis zu 12 Servos und einem Distanzmesser anzusteuern sowie per Bluetooth-Modul Befehle von außen zu empfangen.
Schwieriger wird es, wenn zusätzliche Servos für mehr Beine und Freiheitsgrade dazukommen. Dann reicht ein Arduino Uno nicht mehr aus, es fehlt an Anschlussmöglichkeiten und Arbeitsspeicher. Laut Daniel wäre die einfachste Alternative ein Arduino Mega. Die Entwickler sahen sich aber auch verschiedene Optionen an, wie den in Deutschland eher weniger bekannten Red Black Spider(öffnet im neuen Fenster) , der speziell für die Steuerung sehr vieler Servos ausgelegt ist. Die Macher halten aber auch einen eigenen Klon auf längere Sicht für denkbar.
Um die Roboter mit Strom zu versorgen, kommt ein 7,4 Volt-Lipo-Akku mit 1000 mA/h Kapazität zum Einsatz, mit dem sich eine Laufzeit von zirka 20 Minuten erzielen lassen soll.
Ein Bausatz, der mitwächst
Die Idee hinter dem Bausatz war nicht, die konstruktiven Möglichkeiten von Papier und Pappe auszuloten. Vielmehr soll der Anwender sich in die Programmierung lauffähiger Roboter einarbeiten können - Bewegungsmuster und -abläufe für mehrbeinige Roboter zu entwickeln und auszuprobieren, ist durchaus eine Herausforderung. Ein vierbeiniger Roboter mit zwei Freiheitsgraden erfordert eine ganz andere Herangehensweise als ein sechsbeiniger Roboter mit drei Freiheitsgraden. Zoobotics stellt zwar lauffähigen Quellcode unter Open-Source zum Einstieg zur Verfügung, den Code verstehen die Macher aber in erster Linie als Basis und Vorlage, nicht als fertiges Programm.
"Einfach neue Konstruktionen auf Papier ausdrucken, zusammenkleben und programmieren" , so beschreibt Daniel deshalb die Idee hinter der Bausatzserie: Mit Haushaltsmitteln sollen neue Beine oder Sensoren befestigt werden oder gar ein neuer Roboterentwurf entstehen können.
Ganz so einfach wurde es dann doch nicht. Aber selbst die Konstruktion aus Pappe und Papier wird voraussichtlich immer noch preiswerter sein als vorgefertigte Elemente aus Plastik oder Metall und erlaubt einfache Reparaturen.
Der Preis ist insofern ein kritischer Punkt, da die für Laufroboter notwendige Anzahl an Servos (je nach Modell zwischen 8 und 18) und die Elektronik die Kosten bereits in die Höhe treiben.
Der anvisierte Preis für einen Basis-Bausatz soll um die 300 Euro liegen. Er umfasst alle Bauteile und Komponenten, die für einen vierbeinigen Roboter notwendig sind. Den Preis versuchen die Macher aber noch zu drücken. Die Papier- und Papp-Elemente sollen auch einzeln verkauft werden.
Laut Daniel relativiert sich der vermeintlich hohe Preis für einen "Pappbaukasten", da sich alle Komponenten in den größeren Modellen wiederverwenden lassen. Wer aus seinem Vierbeiner einen Sechsbeiner machen will, benötigt lediglich vier weitere Servos und einen zusätzlichen Satz Pappteile - diese lassen sich im Prinzip sogar selbst ausschneiden.
Außerdem haben die Macher kleine Lerngruppen im Auge: Ein Kursleiter kauft den Bausatz nur einmalig, und jede neue Gruppe erhält lediglich einen Satz neuer Papier- und Papp-Elemente, die sie beliebig verarbeiten können. Die Servos wie Elektronik werden hingegen stets wiederverwendet.
Ob ihre Idee wirklich ankommt, will Zoobotics voraussichtlich Ende des Jahres herausfinden. Dann wollen sie eine Crowdfunding-Aktion starten, um eine Finanzierung für den Produktionsstart zu bekommen.