Heute beschäfigen uns heute mit den besten Projektideen für den Einstieg in die Robotik. Sachen bauen macht viel mehr Spaß als Lehrbücher zu wälzen und man lernt die Theorie quasi nebenbei. Im einfachsten Fall kann man mit nichts als einem Computer starten, wobei nicht einmal Elektronikwissen nötig ist. Bei tausend möglichen Projekten und vielen verschiedenen Disziplinen in der Robotik kann es aber verwirrend sein mit welchen Projekten man am besten beginnt. In diesem Artikel gebe ich einen Überblick über verschiedene Projektkategorien und werde einige der interessantesten davon vorstellen. Wir diskutieren Eigenbauprojekten mit kleinen Minicomputern wie Arduino oder Raspberry Pi, fortgeschrittenere Roboterplattformen mit dem Robot Operating System (ROS) und Projekte die du komplett in Simulation auf deinem PC machen kannst!

Eigenbauroboter mit dem Arduino oder RaspberryPi

Arduino und Raspberry Pi sind zwei Minicomputer die sich hervorragend eignen um eigene Robter zu bauen. Sie sind klein, leicht zu programmieren und haben trotz der kleinen Größe eine achtbare Rechenleistung. Sie können recht einfach auf verschiedenen Plattformen montiert und mit diversen Motoren und Sensoren verbunden werden. Deiner Kreativität sind dabei keine Grenzen gesetzt.

Arduino

Das Arduino-Board hat weniger Rechenleistung als der Raspberry Pi, ist aber auch etwas leichter zu handhaben und billiger. In diesem Artikel auf dem Blog von az-delivery wird ein Linienfolge-Projekt mit einem Arduino vorgestellt. Infrarotsensoren werden mit dem Board verbunden damit der Roboter einer schwarzen Linie am Boden folgen kann. Dies ist ein typischer Anwendungsfall z.B. für Roboter im Warenlager. Das Ergebnis sieht dann so ähnlich wie im unteren Video aus. Ein Arduino-Board kostet ca. 8 €, ein einfaches Roboter Chassis, wie hier verwendet, um die 15 € und die beiden Sensormodule jeweils 5 €. Das macht dieses Projekt zu einem einfachen, billigen und spaßigen Einsteigerprojekt.

Raspberry Pi

Der Raspberry Pi ist eher so etwas wie ein kleiner Computer der genug Leistung besitzt, damit ein Betriebssystem wie Linux darauf laufen kann.

Das Projekt unter diesem Link zeigt, wie man einen Roboter baut der automatisch Hindernissen ausweicht. Dafür wird ein Ultraschallsensor mit dem Raspberry verbunden um die Distanz zum nächsten Objekt zu messen. Wenn das Objekt zu nahe ist, wechselt der Roboter automatisch die Fahrtrichtung. Die Programmiersprache Python die in diesem Projekt verwendet wird ist recht einsteigerfreundlich wird aber nichtsdestotrotz häufig in professionellen Roboteranwendungen eingesetzt. Das Endergebnis sieht so ähnlich aus wie in dem folgenden Video:

Es gibt noch viele weitere tolle Roboterprojekte wie z.B. einen gesten-gesteuerten Roboterarm oder Roboter die mit dem Smartphone oder gar durch Sprache gesteuert werden können (Links auf Englisch). Wie du siehst sind die Möglichkeiten mit diesen einfachen Boards quasi unbegrenzt.

Soche Eigenbauprojekte sind großartig um mehr über Elektronik, Sensoren und Motoren, sowie (hardwarenahe) Programmierung zu lernen. Wenn du den Zusammenbau und Verkabelung nicht selbst machen möchtest gibt es auch viele Shops die Roboterkits verkaufen wie z.B. Robotshop.

Roboter Projekte mit ROS

ROS (Robot Operating System) ist ein populäres Open Source Software-Framework für Anwendungen in der Robotik. Es wird viel in Universitäten und Hochschulen für Lehre und Forschung in der Robotik und sogar in professionellen Robotikunternehmen genutzt (dazu mehr hier). Es gibt eine großartige Community die Tutorials, Hilfe und bereits einsatzbereite Implementierungen anbietet. Um ROS auf einem Roboter laufen zu lassen braucht man allerdings etwas Rechenleistung mit einem Betriebssystem. Mit ROS kannst du auch rein in der Simulation auf deinem Computer arbeiten, worüber wir im nächsten Abschnitt sprechen werden, aber es gibt auch echte Roboter die speziell für den Einstieg in ROS entwickelt wurden.

TurtleBot

Der wahrscheinlich populärste dieser Art ist der TurtleBot, dessen neueste Version 3 von der Firma Robotis gebaut wird. Der TurtleBot hat eine mobile Platform die hauptsächlich für Navigationsaufgaben entwickelt wurde, allerdings kann zusätzlich ein Greifer für Manipulationsaufgaben montiert werden. Mit einem Preis von 580 € für die kleinste Version sind die Modelle nicht gerade günstig, allerdings bekommt man dafür auch eine Menge geboten. Die günstigste Version mit dem Namen Burger hat leistungsstarke Motoren, einiges an Rechenleistung, einem Akku-Pack und einem 360° LIDAR, für die Erstellung einer Karte der Umbegung (mit dem SLAM-Alrithmus). Die etwas teureren Modelle haben sogar eine Kamera für Computer Vision Anwendungen. All das macht den TurtleBot in Forschung und Lehre sehr beliebt, wenn du also einen einfachen Einstieg in ROS mit einem echten Roboter suchst dann solltest du dir diesen ganauer ansehen.

Roboterarm

Wenn du gerne mit deinem eigenen Roboterarm arbeiten möchtest dann sieh dir an was Trossen Robotics zu bieten hat. Mit der kleinsten Version PhantomX Pincher beginnen die Preise hier bei 399€. Mit einer recht geringen Tragelast von 250 g ist der Roboterarm nicht dafür gedacht um Autos in der Produktionsstraße zu fertigen aber mit etwas Programmierung kann er dir zumindest helfen deinen Schreibtisch aufzuräumen. Da diese Serie speziell zur Verwendung mit ROS entwickelt wurde gibt es viele Recourcen die dir beim Einstieg helfen.

Eine Liste aller Roboter die speziell entwickelt wurden um mit ROS zu laufen findest du unter dem Folgenden Link.

Wenn du am Ende doch lieber deinen eigenen Roboter bauen möchtest hast du auch die Möglichkeit, ROS auf dem Raspberry Pi zu installieren. Wegen der geringereren Rechenleistung gibt es dabei kleine Einschränkungen aber für viele Projekte ist es trotzdem mehr als ausreichend. In diesem Artikel wird beschrieben wie du ROS auf dem RaspberryPi installieren und anpassen kannst.

Roboter Projekte in Simulation

Weißt du was wirklich großartig ist? Für viele Roboter auf dem Markt gibt es Simulationsmodelle für Gazebo oder andere Simulatoren. Viele davon können kostenlos heruntergeladen werden, genau wie Gazebo selbst, was uns erlaubt mit Roboteranwendungen zu experimentieren ohne einen Cent dafür zu bezahlen! Simulationen öffnen die Tür für eine ganze Reihe neuer Möglichkeiten, da wir damit den Roboter auf unserem Computer in unterschiedlichen Umgebungen unter dem physikalischen Einfluss der realen Welt testen können. Wir können sogar Sensordaten, zum Beispiel von einer 3D-Kamera simulieren. Damit ist die Simulation für verschiedenste Arten von Projekten wie Vision (Robotersehen), Perception (Roboterwahrnehmung), Bewegungsplanung, Regelungstechnik, Künstliche Intelligenz und mehr geeignet!

Auf diesem Blog habe ich Tutorials für Projekte mit dem UR5 Roboter von Universal Robots erstellt. Wenn du ein Neuling im Thema Gazebo bzw. Computersimulation bist dann macht es Sinn dir diese Tutorials oder diejenigen auf der offiziellen ROS Wiki-Seite anzusehen. Dort kannst du lernen wie du dein eigenes Robotermodel erstellen und einen Roboter mit Hilfe des MoveIt!Packages bewegen kannst. Wenn du bereit bist ambitioniertere Projekte anzugehen gibt es auch dafür großartige Online-Recourcen die dir weiterhelfen können. Schauen wir uns einige Beispiele für interessante Projekte über unterschiedliche fortgeschrittene Themen in der Robotik an die alle in der Simulation gemacht wurden:

– Roboterkinematik mit dem Kuka Roboter

Auf seinem Medium-Blog schreibt Nick Hortovanyi über Projekte im Rahmen des Robotics Nano Degree Programms auf der Lernplattform Udacity. Unter anderem gibt es einen Fortgeschrittenen-Kurs über Roboterkinematik. Er beschreibt wie man die DH-Parameter des Roboters ableitet und daraus die Transformationsmatrix erstellt um die Forwärtskinematik zu berechnen. Basierend darauf schreibt er ein Programm um die inverse Kinematik zu berechnen und die Greiferposition des Kuka Roboters zu steuern. Das wird dann benutzt um ein Objekt in der Simulation mit Hilfe des Greifers zu bewegen.

– Künstlich Intelligenz mit dem TurtleBot3

Zuvor haben wir bereits über den TurtleBot3 von Robotis gesprochen. Auf ihrer Website bietet Robotis Tutorials an um den Roboter in der Simulation zu benutzen. Eines davon bringt dem Roboter mit Hilfe von Maschinellem Lernen bei, Hindernisse zu vermeiden. Im speziellen benutzen sie Reinforcement Learning, eine spezielle Art des Maschinellen Lernens. Sie zeigen wie Tensorflow und Keras (Frameworks die für Maschinelles Lernen benutzt werden) und zusätzlich benötigte Pakete installiert werden, wie das Modell traniert und das Ergebnis visualisiert wird. Das Maschinelle Lernen (oder generell die Künstliche Intelligenz) ist eine ganz eigene Welt für sich und im Moment wohl das heißeste Thema in der Robotik, weshalb es sich lohnt einen Blick darauf zu werfen!

– 3D Wahrnehmung mit dem PR2 Roboter

Ein weiters Projekt in Udacity’s Robotics Nano Degree Programm beschäftigt sich mit Roboterwahrnehmung. Nick Hortovanyi beschreibt das Projekt mit dem Ziel, Objekte auf einem Tisch zu erkennen. Genutzt wird dafür ein simulierter PR2 Roboter – ein Zwei-Arm Roboter der bei Willow Garage (den Erfindern von ROS) entwickelt wurde. Der PR2 hat eine Tiefenkamera die eine Punktwolke als Darstellung der Umgebung des Roboters erzeugt. Diese Punktwolke wird dann verarbeitet und verschiedene Filter werden darauf angewendet um die gewünschten Informationen zu extrahieren. Zum Schluss wird ein klassisches Modell mit Hilfe von Maschinellem Lernen trainiert um die Objekte zu benennen.

Die Projekte die ich gerade beschrieben habe sind recht fortgeschritten und zielen eher auf erfahrenere ROS-Nutzer ab. Das Ziel war aber, dich zu motivieren und dir all die Möglichkeiten zu zeigen die es gibt wenn man mit einer Simulation arbeitet. Sobald du mit den grundlegenden ROS- und Gazebo-Tutorials sowie kleinen Projekten anfängst wirst du automatisch Erfahrung gewinnen und mehrere Themen entdecken die dich interessieren und die du dir genauer ansehen willst.

In diesem Artikel habe ich einen Überblick über Roboterprojekte gegeben die am besten geeignet sind um Robotik zu erlernen. Ich habe versucht verschiedene Projektkategorien mit veschiedenen notwendigen Voraussetzungen und unterschiedichem Umfang abzudecken. Ich hoffe, dass es für dich hilfreich war und dass du nun einen Ausgangspunkt hast um mit der Suche zu beginnen und die passenden Projekte für dich auszuwählen. Wenn du andere coole Roboterprojekte kennst die Robotikwissen vermitteln dann schreib sie bitte unten in die Kommentare!