Roboter zum Lösen des Rubiks Cube

In den ersten Jahren haben Menschen mit ihren Händen versucht, den Rubiks Cube zu lösen. Das Ziel war zuerst, einen beliebig durcheinander gebrachten Würfel wieder in den geordneten Zustand zu bringen. Als nächstes galt es als Herausforderung, dieses in einer möglichst kurzen Zeit zu schaffen. Mit dem Aufkommen der Computer war es dann eine Herausforderung, die Lösung mit Hilfe eines Computerprogramms zu realisieren. Mir bekannt ist ein Jugend-Forscht-Projekt aus dem Jahre 1982, bei dem mit ganz wenig Hardware ein Programm in UCSD-Pascal zu schreiben, das den Rubiks Cube löst. Peter Schneider ist damit zum Landeswettbewerb in Leverkusen gekommen. Leider nicht zum Bundeswettbewerb. Die nächste Stufe der Lösungsmöglichkeiten bestand darin, Roboter zu bauen, die anhand von Softwareprogrammen den Würfel selbstständig lösen konnten. Diese Roboter wurden im Laufe der Zeit immer besser und auch schneller. Die ersten Lösungen waren sehr aufwendig und man benötigte viel Engagement, Zeit und Wissen für die Realisierung. Auch hier ging es wie bei der manuellen Lösung bald darum, in möglichst kurzer Zeit zum Ziel zu kommen. Die Konstruktionen waren sehr speziell und man musste sich sowohl mit der Hardware als auch mit der Programmierung gut auskennen. Das gilt z.B. bei dem Roboter, der mit Lego gebaut wurde. Für den kaum für möglich gehaltene Rekord von 0,68 Sekunden musste ein Chip von Infineon eingebaut werden.

RUKU-Roboter RaspberryPi-Roboter

Der RUKU - Roboter

Ihr Roboter wird den Geschwindigkeitsrekord zum Lösen des Rubiks Cube nicht brechen, aber Daryl Stimm und William Mutterspaugh haben eher ein anderes ehrgeiziges Ziel: Tausende Mädchen und Jungen, die interessiert an Wissenschaft und Technologie sind, sollen den Roboter benutzen. Die zwei seit kurzem Graduierte der Universität Kalifornien haben schon RUKU-Roboter an der Jacobs Schule in San Diego gebaut, ein Bausatz, durch den Studenten in middle school oder high school Erfahrung mit Experimenten und Grundlagen der Robotik, Computerwissenschaften und Entwicklung sammeln können. „Wir bauen einen perfekten Roboterbausatz für jeden STEM-Klassenraum“, sagt Stimm, natürlich besonders für Schulen, die sich dem Projekt STEM angeschlossen haben. „Es macht Spaß, interaktiv dieses Werkzeug jeder STEM-Schule entweder als Workshop oder als zusätzlichen Unterricht zu zeigen. Unser Roboter ist ein guter Weg, um Kinder in dieses Projekt einzubinden.“

Der RUKU-Roboter

RUKU-Gründer William Mutterspaugh (links) und Daryl Stimm(Mitte)

Die meisten Schulroboter-Arbeitsgemeinschaften legen ihren Schwerpunkt auf Kampfroboter oder Autorennen, beide Bereiche sind eher attraktiv für Jungen. „Als wir zu einer Demonstration in einer middle school waren, kamen nach der Präsentation mehr Mädchen mit Fragen zu uns“, sagt Mutterspaugh. „Da erkannten wir, dass RUKU eine Lücke füllen könnte, um STEM-Experimente auch für Mädchen attraktiv zu machen.“ Sie hoffen, dass der RUKU-Roboter-Bausatz möglichst schnell in die Haushalte und Schulen kommen wird. Die beiden haben ein Startup-Unternehmern am 19. Dezember gegründet. Dazu benötigen sie Eigenkapital in Höhe von 54 000 $. Zur Zeit sind es 4000$, die sie in 26 Tagen gesammelt haben. Um die Kosten für den Roboter-Bausatz so niedrig wie möglich zu halten, benutzen sie für die Herstellung bestimmter Teile einen 3D-Drucker. Damit können Schulen durch Senkung der Kosten eine größere Anzahl von Bausätzen erwerben. „Wir beginnen mit dem Kickstart und hoffen, dass Bausätze bestellt werden und die Kosten dafür sinken werden“, ergänzt Stimm.“ Wir wollen nicht unbedingt Gewinne machen, sondern wir möchten vor allem, dass die Anzahl der Schulen, die Bausätze anschaffen, wachsen wird. Wir beabsichtigen, dass diese Bausätze möglichst schnell in die Schulen kommen.“

Stimm, dessen tägliche Arbeit bei GoPro stattfindet, kam mit dem Originalkonzept. Im fortgeschrittenen Jahr nahm er an einem Projekt-basierten Kurs über eingelagerte Systeme, Computerwissenschaft und Entwicklung, durchgeführt von CSE Professor Ryan Kastner .Er arbeitete mit der elektrischen Entwicklung verstärkt mit Mutterspaugh und bei der Computerentwicklung mit Jonas Kabingting. Sie bauten den ersten RUKU-Roboter in gerade einmal 8 Wochen und benutzten das Prototyping Laboratorium im Qualcomm-Institute. Das RUKU-Board hat einen allgemeinen Motortreiber mit 6 Treibern für programmierbare Schrittmotoren. „Wir wollten ein Projekt, das Computervisionen und Robotik benutzt. Das war mein Interesse und wir benötigten Williams Kenntnisse bei der elektrischen Entwicklung,“ so Stimm, der seinen Abschluss in Computerwissenschaften im Juni gemacht hat. „Weiterhin wollten wir eine Raspberry Pi als Plattform benutzen, diese sollte das Gehirn des RUKU-Roboters sein.“ (Der Raspberry Pi ist ein kreditkartengroßer Einplatinen-Computer.) Während Stimm an der Computervision und App arbeitete, baute Mutterspaugh eine spezielle Schaltung, die das Gehirn des Roboters darstellt. Er fertigte auch 3D-Modelle und baute den ersten Prototyp. Die Herausforderung war, das Ganze so weit wie möglich benutzerfreundlich mit einem Minimum an Teilen zu gestalten, so dass auch middle school und high school-Studenten in der Lage sind, diesen Roboter zusammenzubauen. Mutterspaugh: „ RUKU lehrt die Grundlagen der Programmierung von Motoren und wie Dinge zusammenarbeiten.“

Die RUKU-Teile

Internetseite - RUKU-Roboter Die Adresse der Seite lautet: https://rukurobot.weebly.com/

Sobald der Roboter zusammengebaut ist, erkennt das Handy die Farben des Würfels und bestimmt den schnellsten Weg zur Lösung. Dann werden Befehle zu den Motoren geschickt, die den Würfel so drehen, wie es nötig ist. Der Prototyp kann den Würfel in ungefähr 20 Sekunden lösen. Die App läuft auch ohne Roboter, aber der Benutzer muss dann den Würfel manuell so drehen, dass diese App die Farbfolge jeder Seite erkennen kann. Wie oben schon erwähnt hat das RUKU-Board einen allgemeinen Motortreiber mit 6 Treibern für programmierbare Schrittmotoren. Mit Anleitungen und Unterricht für den RUKU-Roboter können auch 11-jährige Schüler den Roboter mit Scratch programmieren. Wenn der Roboter, der den Rubiks Cube gelöst hat, abgeschaltet wird, können die Komponenten wieder verwendet und erneut programmiert werden, um andere Robotertypen mit anderen Aufgaben herzustellen. Stimm und Mutterspaugh haben den RUKU-Roboter-Bausatz Hunderten von middle school Studenten gezeigt und den Besuchern der Innovation Alley expo of TEDxSanDiego Anfang November diesen Roboter vorgeführt.

Der Raspberry-Roboter
Auf dieser Seite wird ein Roboter vorgestellt, dessen Teile mit einem 3D-Drucker angefertigt werden können. Programmiert wird dieser Roboter von einem Raspberry Pi. Am Ende kann dieser dann von einer App gesteuert werden. Die Anleitung ist sehr ausführlich und vollständig. Jeder einzelne Schritt, z.B. zum Zusammenbau, wird so dargestellt, dass es auch für weniger handwerklich begabte Computerexperten keine größeren Probleme geben sollte. Die einzelnen Bauteile des Roboters können als Datei heruntergeladen werden und mit einem 3D-Drucker ausgedruckt werden. In dieser befinden sich die benötigten Teile als STL-Dateien und können mit einem 3D-Drucker ausgedruckt werden. Geöffnet werden können die SLT-Dateien mit dem Programm Blender. Es ist nicht unbedingt der Raspberryy Pi erforderlich. Man kann auch einen normalen Rechner benutzen. Auf diesem muss aber als Betriebssystem Windows 10 installiert sein. Beim Raspberry Pi wird Windows 10 IoT vorausgesetzt.		Internetseite - OTVINTA-Roboter Die Adresse der Seite lautet: http://www.otvinta.com/ download12.html/
Der Roboter aus verschiedenen Perspektiven	Die Einzelteile aus dem 3D-Drucker	Der teilverkabelte Roboter