Rapid Prototyping mit Lego Mindstorms

Gastbeitrag von | 07.01.2019 | Softwareentwicklung | 0 Kommentare

In einer agilen Arbeitsumgebung wird es immer wichtiger, neue Ideen und Konzepte schnell zu visualisieren und sie potentiellen Kunden, Auftraggebern oder Investoren vorzustellen. Neben einer virtuellen Darstellung in einer frühen Phase des Proof of Concepts ist die Erstellung eines realen Demonstrators, eines funktionierenden Prototypen als Modell sinnvoll und hilfreich. Dafür haben sich inzwischen viele neue formgebende Technologien zum Rapid Prototyping wie bspw. das 3D-Drucken etabliert. 3D-Drucken selbst hat einige Nachteile wie lange Druckzeiten, keine Wiederverwertung und eine geringe Flexibilität. Als Alternativen bieten sich insbesondere für Konzepte aus dem Mobilitäts-, Fahrzeug-, Umwelt- oder Roboterbereich modulare Baukästen mit integrierten und programmierbaren Mikrocontrollern an. Mit ihnen lassen sich schnell und kostengünstig Funktionsmuster erstellen. Sie eignen sich sowohl für kleine Unternehmen, Startups und Gründer, als auch für große Unternehmen, die damit die Kreativität ihrer Forschungsabteilungen und Innovationslabs steigern können, zumal die schnellen Arbeitsergebnisse neue Ideen generieren und somit stark motivierend für alle Beteiligten wirken. Derzeit werden Baukästen von verschiedenen Firmen primär als spielerischer Einstieg in die Robotik und Programmierung angeboten. Schrittmacher war hier Lego um die Jahrtausendwende mit Lego Mindstorms.

Das Konzept der Lego Mindstorms

Lego Mindstorms ist ein sehr nachhaltiges und kreatives Tool zum schnellen Erstellen von Prototypen und Modellen, insbesondere aus dem Roboter-, dem Fahrzeug- und Maschinenbaubereich. Es besteht aus einem modularen und wiederverwendbarem Stecksystem der Lego Technic Serie und bietet zusätzlich kompatible Sensoren und Motoren. Herzstück des Baukastens ist ein programmierbarer Mikrocontroller: der Brick. Er überwacht die Sensorik und steuert die Motoren an. Neben vielen eigenen Sensoren wie Licht-, Infrarot-, Ultraschall-, Geräusch- oder Tastsensoren, bieten einige Fremdfirmen professionelle Sensoren an, bspw. für die automatisierte Bilderkennung. Über Adapter lassen sich die Motoren, die Fernsteuerung und die Beleuchtung von Lego Power Function anschließen.

Ursprünglich wurde Lego Mindstorms gemeinsam von Lego und dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) für Kinder und Jugendliche ab 12 Jahre als Einstieg in die Roboterwelt konzipiert. Inzwischen ist die 3.Generation EV3 mit appgesteuerter Bedienung und ersten Ansätzen des IoT verfügbar. Sie ermöglicht den Bau von ferngesteuerten und autonomen Spielzeugen. Neben der Hardware wurde auch eine Software mit graphischer Oberfläche entwickelt, die das Schreiben komplexer Programme ohne vorherige Programmierkenntnisse ermöglicht.

Auch für professionelle Entwickler eignet sich Lego Mindstorms als kreatives Werkzeug zum schnellen Testen von Ideen. Da viele Anwender aus Kindertagen mit der Lego-Welt vertraut sind, schafft man schnell sichtbare Ergebnisse und kann Varianten auch ohne aufwendige Sonderbauteile durchprobieren. Wichtig ist dabei auch die haptische Erfahrung, da jeder Entwickler sein neues Produkt frühzeitig in die Hand nehmen kann. Mit rund 300,- Euro ist Lego Mindstorms zwar als reines Spielzeug recht teuer, im Vergleich mit professioneller Roboter- und Sensortechnik aber sehr günstig. Inzwischen hat sich eine weltweite Community – auch mit vielen Erwachsenen – gebildet, die im regen Austausch in Foren, Wettbewerben oder in Videokanälen ihre Fahrzeuge, Maschinen oder Roboter präsentieren.

Nicht unerwähnt soll bleiben, dass es inzwischen von anderen Herstellern wie Fischer Technik oder Makeblock ähnliche Baukästen gibt. Empfehlenswert ist eine Entscheidung für ein einzelnes System, denn nur so können Sie sicher sein, dass auch wirklich alles perfekt zusammen passt.

Ein Fallbeispiel der Mikromobilität

In unserem Fallbeispiel beschäftigen wir uns mit einer komplett neuen Form der Mikromobilität: es geht um autonomes Fahren in Fußgänger- und Innenräumen. Ziel ist eine bequeme und sichere Fortbewegung mit einem neuartigen, autonomen Transportroboter als Shuttle und Zubringer für Güter, Personen und deren Gepäck auf der letzten Meile. Der Einsatz dieser Roboter soll hauptsächlich in weitläufigen Gebäudekomplexen und Fußgängerbereichen wie Bahnhöfen, Flughäfen, Parkhäusern, Messegeländen, Einkaufszentren, Fußgängerzonen, aber auch in Zoos oder großen Parks erfolgen. Da es vom Gesetzgeber derzeit kaum Vorgaben gibt, muss man neben den technischen auch grundsätzliche Fragen eines Einsatzes klären.

Autonome Transportroboter erleichtern die Mikromobilität.

Autonome Transportroboter erleichtern die Mikromobilität

Der Projektarbeitsname des Transportroboters ist „Plazataxi“. Hinweise auf die Funktion und den hauptsächlichen Arbeitsbereich sind natürlich beabsichtigt. Das komplexe Thema des „Plazataxis“ umfasst Fragen nach

  • Dimensionierung,
  • Geschwindigkeit,
  • Wendigkeit,
  • Interaktion mit anderen technischen Einrichtungen wie z.B. Aufzügen,

sowie nach passiven und aktiven Sicherheitsmaßnahmen wie

  • Beleuchtung,
  • Abstandssensorik und
  • akustischen Warnelementen.

Das Grundkonzept des Transportroboters ist eine kleine flache Plattform mit einer Abmessung von rund 70 cm x 70 cm mit jeweils 2 einzeln steuerbaren Antriebsrädern und 2 frei drehbaren Zusatzrädern. Es ähnelt einem Segway mit zwei Stützrädern. Die Plattform ist als offene Wanne ausgebildet, auf die diverse Module je nach Bedarf flexibel befestigt werden können. Außerdem überspannt ein bogenförmiges Tragegestell die Wanne, auf der hoch über dem Nutzer die entsprechenden Sensoren für das autonome Fahren, aber auch optische und akustische Warnelemente angebracht werden. Das Tragegestell dient bei einigen Modellen als Haltegriff für den stehenden Mitfahrer. Konkret ging es beim Rapid Prototyping genau um ein Funktionsmodell dieser Robotervariante: Fahrer steht hinten, Gepäck liegt vorne in einer offenen Box. Zuerst erfolgte das Design des ersten Entwurfes als 3D-Modell am Computer. Der 2.Schritt sah den Bau eines modellhaften Prototypen als Demonstrator und Funktionsmuster vor. Mit ihm sollte das autonome Fahren mit Hilfe von IR-Beacons in verschiedenen Modi sowie die Interaktion mit anderen Techniken in einer Simulationsumgebung getestet werden. Um die prinzipielle Funktionsfähigkeit des Modells zu überprüfen, wurde ein Prototyp benötigt, der preiswert und in kurzer Zeit die verlangten Fahreigenschaften und die Gebrauchsfähigkeit der Innenraumnavigation nachweisen konnte. Dafür wurde aus genannten Zeit- und Kostengründen ein vereinfachtes Funktionsmodell mit Lego Mindstorms im Maßstab 1:5 erstellt.

Der Prototyp des Plazataxis im Original.

Der Prototyp des Plazataxis im Original

Folgende konkrete Anforderungen sollten durch den Prototyp nachgewiesen werden.

  1. Start-Ziel Navigation in Innenräumen mit codierten IR-Beacons und IR-Seeker am Roboter. Die IR-Beacons werden in entsprechenden sichtbaren Abständen entlang möglicher Fahrwege an der Decke befestigt und müssen nacheinander in einer vom Ziel abhängigen Reihenfolge durch den Roboter abgefahren werden. Dabei ist die optische Erfassbarkeit der IR-Beacons durch den Roboter immer zu gewährleisten. Hinzu kommt die automatische Rückfahrt in umgedrehter Reihenfolge.
  2. Platooning Navigation, d.h. das virtuelle Koppeln mit anderen Fahrzeugen, um mit gleichbleibendem Abstand hinterherzufahren. Dabei werden die codierten IR-Beacons am vorderen Fahrzeug sichtbar befestigt.
  3. Follow me Funktion, ähnlich wie beim Platooning. Hier wird aber anstelle eines Fahrzeuges einer Person im Abstand gefolgt, dabei trägt der Nutzer einen IR-Beacon, dem nicht nur der Roboter folgen muss, sondern er dient auch zur Lokalisierung des Person im Raum.
  4. Kollaboratives Verhalten mit einem Nutzer. Der Nutzer beauftragt den Transportroboter für ein eigenständiges paralleles Handeln mit anschließender autonomer Rückkehr zum Nutzer. Der Transportroboter erhält ein großes sichtbares Display zum Anzeigen seines Auftrages bzw. ein digitales System zur Auftragsübermittlung. Damit kann er beim Einkaufen parallel Käse an der Käsetheke holen, währenddessen der Kunde am Gemüsestand sein Gemüse auswählt.
  5. Interaktion mit der Haustechnik, insbesondere mit Aufzügen, also autonomes Rufen, Hereinfahren, Bedienen und Verlassen des Aufzuges durch den Transportroboter.
  6. Memory Effekt. Der Roboter bzw. das System merkt sich das Verhalten seiner autorisierten Nutzer und kann so automatisch Fahrwege vorausbestimmen. Damit ist er in der Lage, Nutzer ohne weitere Eingaben an den Ausgangspunkt ihrer vorherigen Fahrt z.B. zum richtigen Parkhausstellplatz zurückzubringen.

Der Bau und die Programmierung des Lego-Prototypens erfolgten in wenigen Tagen. Seit einigen Wochen laufen erfolgreich die Testfahrten, die aber noch lange nicht abgeschlossen sind. Inzwischen wurde als Spin-off ein weiterer Fahrtroboter als interaktiver Einkaufswagen in die Erprobung aufgenommen. Ziel ist es hier, Einkäufer vor Ort zu unterstützen, entweder in dem mehr Waren in gleicher Zeit oder gleiche Warten in kürzerer Zeit eingekauft werden. Denkbar wäre auch ein Szenario, beim dem der Einkaufswagen den Kunden im Parkhaus abholt, ihn bei allen Aktivitäten im Einkaufscenter unterstützt, und die Waren mit dem Kunden im Anschluss ins Parkhaus zurückbringt.

Der autonome Einkaufswagen - ein Spin-Off des Plazataxis

Der autonome Einkaufswagen – ein Spin-Off des Plazataxis

Fazit

Anders als bei formgebenden Verfahren des Rapid Prototyping wie bei 3D-Druckern steht bei Lego Mindstorms weniger das Formdesign im Vordergrund, sondern die Funktionsweise, der Variantenvergleich und der Proof of Concept. Oft reicht eine kleine Simulationsumgebung aus, um Vor- und Nachteile eines Konzeptes oder einer Idee frühzeitig zu erkennen. Damit entspricht es bei der Sicherung des geistigen Eigentums eher den Anforderungen eines Gebrauchsmusters anstatt eines Geschmacksmusters.

Lego Mindstorms eignet sich insbesondere für den Bau von Prototypen, Modellen und Simulationsumgebungen von neuartigen Fahrzeugen und Robotern. Mobilitätskonzepte und konzeptionelle Ideen lassen sich ebenfalls sehr gut simulieren. Ein breites Angebot an Bauteilen und Sensoren ermöglicht einen schnellen Aufbau auch komplizierter Konzepte. Nachteilig ist jedoch die geringe mechanische Belastbarkeit der Kunststoffbauteile, insbesondere durch das einfache Pin-Stecksystem. Abhilfe können hier Hybridlösungen mit Verbindungselementen aus anderen Materialien, mit Bauteilen anderer Hersteller oder die Ergänzung durch Sonderbauteile aus dem 3D-Drucker bieten. Für robustere Prototypen im Außeneinsatz haben sich Kombinationen mit Metallbauteilen für die Mechanik bewährt. Durch das rasterförmige Lochsystem von Lego Mindstorms bzw. Lego Technic sind lösbare Verbindungen mit Metall-Schrauben ohne zusätzliche Bohrungen möglich.

Lego Mindstorms ist ein „low cost tool“, denn nach Abschluss eines Projekts lässt sich der Prototyp zerstörungsfrei zerlegen und die Bauteile für neue Projekte wiederverwenden. Da die Programmierung über die graphische Oberfläche schnell erlernbar ist, eignet sich Lego Mindstorms gut für frühzeitige Konzeptüberprüfungen. Auch der Einsatz in Kreativworkshops oder bei Weiterbildungsmaßnahmen in Innovationslabs bzw. F/E-Bereichen ist möglich. In unserem Projekt fällt das Fazit durchweg positiv aus. Wir konnten den Nachweis erbringen, dass eine Navigation in Innenräumen mit codierten IR-Beacons möglich und das Fahrzeugskonzept sehr wendig ist. Probleme, die während der Erprobung auftraten, konnten wir größtenteils sofort lösen. Auch neue Ideen ließen sich durch den modularen Aufbau relativ schnell umsetzen. Bei einigen Problemstellungen stieß natürlich auch Lego Mindstorms an seine Grenzen. So wurden bspw. für eine interaktive Kommunikation zwischen dem autonomen Roboter und der IR-Infrastruktur neue interaktive IR-Beacons notwendig, die zusätzliche Informationen lokal senden und auch empfangen sollten. Zusätzlich wäre auch die Verdopplung der Sensorik für einen 360 Grad Rundblick sinnvoll gewesen, um so in engen Räumen – z.B. in Aufzügen – auch rückwärts fahren zu können. In Anbetracht der niedrigen Kosten von Lego Mindstorms war dies aber leicht zu verschmerzen.

Neben diesen technischen Erfahrungen und Ergebnissen gibt es einen sehr positiven Nebeneffekt: Rapid Protoyping mit Lego Mindstoms macht Spaß. Es schafft schnell Erfolgserlebnissse und schult als Abwechslung zur Arbeit am Computer die manuellen Fähigkeiten und das lösungsorientierte Denken am konkreten Objekt. Ich kann es Ihnen als nur empfehlen. Probieren Sie es einfach selbst einmal aus.

Frank-Holger Dobbert

Frank-Holger Dobbert

Als Dipl.-Ing. für Stadt- und Gebietsplanung hat sich Frank-Holger Dobbert viele Jahre mit Planungskonzeptionen und Wohngebietsprojektierungen beschäftigt. Seit 2000 ist er freiberuflich als 3D-Designer mit Schwerpunkt Architekturvisualisierung tätig. Zu seinen Hobbies zählen Radfahren und Möbelbau; beides hat er zu seinem Beruf gemacht: 2012 gründete er "Sonnenfahrrad" - ein Startup zur Entwicklung von Solarfahrrädern, 2014 folgte mit "Strandkraftwerk" ein Startup zum Bau von mobilen Solarmöbeln.

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