Verfasst von Florian Güldenpfennig

Ein Greifarm-Roboter zum selber bauen

»DIY Candy Grabber«

Candy Grabber« (zu Deutsch: Greifarm-Automaten) locken mit kleinen Gewinnen wie Plüschtieren und versprechen jede Menge Spaß. Vor allem aber kann man jede Menge von ihnen lernen – wenn man sie selber baut! :-)  

Um Studierenden des Interaktionsdesigns grundlegende Konzepte der Informatik zu erklären haben wir nun genau so einen DIY Candy Grabber designt. Wer verrückt genug ist, kann seine oder ihre eigene Version davon nachbauen. Alle Bauteile, Modelle für den 3D-Drucker etc. und der Source Code für die Microkontroller sind im Folgenden verlinkt.

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(Pädagogische) Konzepte hinter dem Candy Grabber

Der Grabber kann (relativ schnell) auf- und abgebaut werden und wurde vor allem zur Ausstellung während Messebesuchen konzipiert. Anhand des Gerätes demonstrieren wir, was man bei uns alles so lernen kann. Im Candy Grabber stecken nämlich eine Reihe für die Informatik und das Design typischer Konzepte:  
  

  • Modularität:  Der Candy Grabber ist geprägt von seinem modularen Aufbau – genauso wie die moderne Entwicklung von digitalen Produkten. Aus diesem Grund kann die Installation auch relativ zügig zerlegt, transportiert und wieder aufgebaut werden. Dies ermöglichen unter anderem die standardisierten Konstruktionsprofile aus Aluminium, die darauf ausgelegt sind, verschiedensten Projektvorhaben, ein stabiles Skelett zu unterlegen. Allerdings ist nicht nur die äußere Gestalt des Candy Grabbers modular aufgebaut, sondern auch die Software, welche der Installation zu ihrem interaktiven Verhalten verhilft. Für viele Probleme gibt es bereits fertig ausprogrammierte Lösungen und diese Module – wir sprechen auch von Libraries – können dann herangezogen werden, um 'das Rad nicht neu erfinden‘ zu müssen.
  • Open Source: Das Teilen von bereits erdachten Lösungen liegt dem Open Source Prinzip zugrunde. Der Candy Grabber macht intensiv davon Gebrauch. Beispielsweise basiert seine Elektronik auf der Open-Source Prototyping Plattform Arduino. Auch das Design der Kralle bzw. des Greifarms wurden einer Plattform zum kollektiven Teilen entnommen (https://www.thingiverse.com/thing:4826548 von David Boddington) und in das modulare Design des Candy Grabbers integriert. Selbstverständlich machen wir wiederum die Designs und Codes des Candy Grabbers für die Allgemeinheit verfügbar. Weiter unten auf dieser Seite sind die entsprechenden Dateien verlinkt.
  • Digital Fabrication und Digitalisierung: Der Open Source Bewegung sind neuartige Werkzeuge zur Herstellung von Protoypen zu verdanken. Die Verbindungsteile des Candy Grabber wurden mit einem erschwinglichem 3D-Drucker ausgedruckt und einige Holzteile mit einer selbstgebauten CNC-Fräse ausgeschnitten. Diese beiden Geräte werden ebenso wie der Candy Grabber selbst von den bereits erwähnten Arduino Mikrokontrollern angetrieben. Diese Technik erlaubt es, digitalisierte Modelle zu replizieren, indem Material sehr präzise auf- beziehungsweise abgetragen wird. Die Algorithmen hierfür wurden über Jahre hinweg von der Open Source Community immer weiter verfeinert und ermöglichen es heute, effektiv Modelle wie zum Beispiel den Greifarm am Computer zu entwerfen und dann maschinell herzustellen.
  • Vernetzung: Das mächtige Prinzip der Vernetzung kann ebenso anhand des Candy Grabbers nachvollzogen werden. Die Open Source Community kann ihre Projekte nur in einem Gemeinschaftsakt vorantreiben durch die Vernetzung über das Internet. Digital Fabrication lebt davon, dass Modelle beziehungsweise Kopien von Modellen weitergegeben und von Maschinen wie 3D-Druckern hergestellt werden. Der Candy Grabber profitiert, wie beschrieben, von all diesen Bestrebungen. Zudem ist er als Gerät selbst vernetzt: er verfügt über ein Bluetooth Modul, so dass er nicht nur konventionell über Joystick etc. gesteuert, sondern auch über Smartphone bedient werden kann.
  • Verhaltensmodifikation: Bei vielen digitalen Applikationen geht es letztendlich darum, unser (Konsum-)verhalten zu beeinflussen - dies sollte man sich hin und wieder vor Augen führen. Krasse Beispiele sind Apps wie Candy Crush, die raffiniert darauf optimiert sind, uns 'süchtig' nach ihnen zu machen. Aber eigentlich werden überall fleißig unsere digitalen Daten gesammelt, um daraus Profit zu schlagen. Der Candy Grabber - eigentlich auch eine Form des Glücksspiels - bietet und Anlass einige kritische Aspekte der modernen Technik wie Verhaltensmodifikation, Gamification und Persuasive Computing kontrovers zu diskutieren.

Funktionen des Candy Grabbers

Die Funktionen des Candy Grabbers sind schnell erklärt: das Gerät wird alle 15 Minuten für ein Freispiel (60 Sekunden lang) freigeschaltet. In dieser Zeit können die Tasten und der Joystick (oder ein Smartphone via Bluetooth) verwendet werden, um möglichst viele Glückskekse in den Auswurfschacht zu befördern. Sind die 60 Sekunden abgelaufen, so muss der Spieler oder die Spielerin eine Viertelstunde warten. Für Messebesuche gibt es ausserdem eine 'Schummelkarte', welche durch Anhalten an das Gerät beliebig viele Freispiele via RFID freischaltet.

Aufbau

Der Candy Grabber besteht aus drei Hauptkomponenten, die schnell voneinander getrennt werden können (siehe Abbildung). Der Großteil der Mechanik ist in Teil I) verbaut. Dieser wird von dem Käfig II) getragen, der die Glückskekse 'sicher' verwaltet und außerdem die Elektronik beherbergt. Der Sockel III) dient dazu, dass Gerät auf einer angenehmen Höhe zu präsentieren. Außerdem verwenden wir ihn, um Werbematerial anzuheften (siehe unten).

Abbildung: Der Candy Grabber besteht aus drei Teilen. I) X-Y-Rahmen II), Käfig für Goodies und III) Holz-Sockel.



Materialliste mit Illustrationen

Der Candy Grabber besteht aus einer Reihe spezieller Materialien, die allerdings gut beziehbar und nicht zu teuer sind. Im Folgenden präsentieren wir zusammen mit Illustrationen eine Liste von den Dingen, die wir verbaut haben.

I) XY-Rahmen für die Kralle

Die größte Herausforderung beim Bau des XY-Rahmens ist es, ihn robust genug zu bauen, um die Kralle möglichst ruckel- und lärmfrei im Raum bewegen zu können. Daher haben wir auf die selben Aluminumprofile zurückgegriffen, die auch für 3D-Drucker verwendet werden. Die Schlitten mit den Motoren können so sehr ruhig entlang der Achsen laufen. Die Verbindungsstücke und Halterungen wurden in erster Linie gedruckt. Die entsprechenden Dateien sind unten verlinkt.


Aluprofile für den Rahmen

  • 2 x 20x20mm 680mm Nut 6 (V-Slot)
  • 2 x 40x20mm 630mm Nut 6 (V-Slot)
  • 1 x 40x20mm 730mm Nut 6 (V-Slot)

Kabelführung

  • 2x U-Profile 3.5x67cm
  • 2 x Schleppketten 10x20mm 1m Länge

Schrauben

  • Zylinderschrauben M6 14mm 12 Stück
  • Zylinderschrauben M5 45mm 12 Stück; dazu passende Muttern
  • 12 x V-Slot Laufrollen 6mm für 3D-Drucker (ursprünglich für Creality Ender)
  • Ein Sortiment M3 Schrauben

CNC

  • 1x Kopplung Innenbohrung 5mm, Außendurchmesser 19mm, Länge 25mm (für RepRap 3D Drucker)
  • GT2 Zahnriemen 6mm Breite ca. 2m und dazu passend 2 Riemenscheiben
  • Kugelkette (Meterware Baumarkt)
Abbildung: XY-Rahmen für die Kralle (Greifarm). Alle Verbindungsstücke (gelbe Teile) können mit einem 3D-Drucker ausgedruckt werden und stehen unten zum Download zur Verfügung (»Source-Files«).

II) Käfig für die Goodies

Der Käfig für die Goodies (Glückskekse in unserem Fall) besteht ebenfalls aus Aluprofilen. Aus Kostengründen eine etwas andere Art als für den XY-Rahmen. In diese Profile sind Acrylglasscheiben eingelassen, denn so ein Candy Grabber ist kein Selbstbedienungsladen :-) Außerdem ist an dem Käfig die Frontplatte mit den Armaturen montiert, hinter welcher sich das elektronische Innenleben des Gerätes verbirgt. Dieses kann aber durch eine Glasscheibe von der Seite aus betrachtet werden (siehe Abbildungen).


Aluprofile 

  • 6 x 20x20mm 680mm I-Typ Nut 5
  • 4 x 20x20mm 1000mm  I-Typ Nut 5
  • 4 x 20x20mm 590mm I-Typ Nut 5
  • 4 x 20x20mm 140mm I-Typ Nut 5

Acrylglas

  • 2 x 630mmx180mm 3mm
  • 1 x 720x180mm 3mm
  • 2 x 795x690mm 3mm
  • 2 x 795x600mm 3mm

Zwischenboden, Frontabdeckung und Trennwand

  • MDF
  • 590 x 165 mm Holzstück als Trennwand

Schrauben

  • M5 Hammermutter T-Nut
  • Linsenkopf M5 6mm 50er Packungdazu passend Nutensteine M5 Nut 6 -Typ B
  • Eckwinkel für 20mm Aluminium Extrusion (25er Pack)
Abbildung: Frontplatte mit Gewinnauswurf und User-Interface, montiert am unteren Teil des "Käfigs".
Abbildung : Das elektronische Innenleben des Candy Grabbers kann von außen durch ein Schaufenster betrachtet werden. Achtung: pädagogisch wertvoll ;-)

III) Holzsockel

OSB Platten

  • 2 x 830x720mm 15mm
  • 2 x 830x600mm 15mm
  • 1 x 690x600mm 15mm
  • 1 x 720x630mm 15mm
  • 44x44mm Kantholz
  • 60mm Holzschrauben
  • Möbelrollen (Schwerlastrollen)
Abbildung: Der Holzsockel eignet sich ausgezeichnet, um Werbeflyer zur Entnahme anzuheften (für Messenbesucher*innen, etc.). Wir haben hierfür unsere eigenen "Diginauten"-Stempel kreiert. 

Elektronik

  • Arduino Mega
  • Arduino Uno
  • 5V Lüfter
  • 4 Kanal DC 5V Relais
  • 12V 10A Netzteil 
  • Spannungswandler DC-DC 8V-36V zu 5V 20A
  • Eingangsmodulstecker 10A mit Sicherung
  • 6x SPDT Endschalter
  • 1x Hallsensor OH49E + ein starker Mini-Magnet
  • 4x 30mm Arcade Tasten
  • Arcade Joystick
  • HC-05 HC-06 Bluetooth Modul
  • CNC Shield mit A4988 Schrittmotor Treibern
  • 4x Nema 17 Schrittmotoren + M3 Schrauben zur Montage
  • HobbyKing - Corona 929MG Metal Gear Servo 2.2kg
  • USB Spiralkabel
  • WS2812B Led Streifen (4x 1m)
  • HD44780 LCD Display
  • RC522 RFID reader
  • RTC DS3231 12C Echtzeituhr
  • Dupont und JST-XH Steckverbinder Sortiment
  • 7x3cm Leiterplatte
  • Stromkabel
Abbildung : Elektronische Komponenten des Candy Grabbers. A) Netzteil 12V. B) Spannungswandler 12V --> 5V. C) Relais D) Anschlussbuchsen für die Elektronik des XY-Rahmens. E) Anschlussbuchsen für die LED-Steifen. F) Arcade Taster, Joystick und LCD Display (nur teilweise im Bild ersichtlich). G) Arduino Mega inkl. CNC Shield. H) Arduino Uno. I) RFID Reader Modul.



Ein paar Eindrücke vom Prototyping Prozess

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