Navigationshilfe:

Der programmierbare Roboterarm

Eine Flasche in ein Regal stellen – das ist für uns eine einfache, alltägliche Handlung, über die wir unser keine weiteren Gedanken machen. So wird uns auch nicht bewusst, wie viele verschiedene Teile unseres Bewegungsapparats an dieser Tätigkeit zusammenspielen. Das bewusste Ansteuern von vielen einzelnen Muskeln ist auch für sehr komplizierte Bewegungsabläufe wie Zielwerfen, Radfahren oder Klavierspielen nicht notwendig. Im Gegenteil, das Bewusstsein ist eher hinderlich, weil derart viele Muskeln, Sehnen und Bänder koordiniert werden müssen. Zwar lassen sich im Prinzip alle diese Muskeln auch willentlich und gezielt bewegen, aber zu viel Nachdenken stört den Ablauf. Der Versuch "Der programmierbare Roboterarm" verdeutlicht, wie kompliziert es ist, eine exakt koordinierte Bewegung bewusst zu erzeugen.

Roboterarm starten

Das Bildschirmfoto zeigt die zweite Aufgabe des programmierbaren Roboterarms: Eine Flasche muss in das Regal gestellt werden.

Zur Funktionsweise des programmierbaren Roboterarms

Geschick und Koordinationsfähigkeit sind beim Umgang mit dem programmierbaren Roboterarm gefragt. Drei verschiedene Aufgaben stehen zur Auswahl: ein Glas von einer Stelle zu einer anderen transportieren, eine Flasche in ein Regal stellen und einen Kugelstapel versetzten.

Detailaufnahme des Roboterarms: Transport eines Glas

Nur durch ein exakt koordiniertes Spiel der verschiedenen Muskelgruppen lässt sich ein Gegenstand greifen und transportieren.

Gelenkt wird die Bewegung des Roboterarms über die Steuerung der Muskelspannung: Muskelgruppen wie Schulter, Oberarm, Unterarm und Greifer können mithilfe von Schieberegeln angesprochen werden.

Die einzelnen Steuerungsschritte lassen sich als Bewegungsabfolge speichern – vier unterschiedliche Speicherplätze (A, B, C, D) stehen hierbei zur Wahl. Die Endposition einer Teilbewegung wird durch Betätigen des roten Aufnahme-Buttons protokolliert. Der jeweilige Bewegungsabschnitt errechnet sich aus allen durch die Muskelbewegungen ausgelösten einzelnen Drehbewegungen. Durch Klicken des Play-Buttons wird die gesamte Abfolge aller Teilbewegungen wiedergegeben.

Der x-Button löscht den jeweils letzten Bewegungsabschnitt. Ein weiteres Speichern einer neuen Teilbewegung ist auch nach dem Abspielen der Bewegungsabfolge möglich.
 

Weiterführende Informationen – Gegenläufige Bewegungen der Muskeln

Ein Muskel kann sich nur zusammenziehen (Kontraktion) oder entspannen (Relaxation). Zum Strecken braucht er einen benachbarten zweiten Muskel, der sich in seine eigene Richtung zusammenzieht und den ersten dabei dehnt. Deshalb treten Skelettmuskeln im Körper immer in Paaren auf: als Spieler (Agonist) und Gegenspieler (Antagonist). In manchen Fällen fehlt ein Gegenspieler, hier übernehmen gedehnte Bänder diese Rolle.

Detailaufnahme des Roboterarms: Steuerungspanel

Anhand der Steuerung wird das Prinzip des paarweisen Auftretens der Skelettmuskeln als Spieler und Gegenspieler verdeutlicht.

Eine Bewegung des Körpers entsteht also, indem sich ein Muskel zusammenzieht, dabei Zugkräfte auf die Sehnen ausübt, die durch ihre Befestigung am Knochen diesen in ihre Richtung ziehen. Um den Unterarm anzuwinkeln, muss sich der Bizeps am Oberarm zusammenziehen. Sein Gegenspieler, der Trizeps, wird dabei in die Länge gezogen. Soll der Unterarm wieder gestreckt werden, so läuft das umgekehrte Spiel: Der Trizeps verkürzt sich, während der Bizeps in die Länge geht.

Hebelwirkung – Physik im Körper

Der Mensch besteht aus einem festen Gestänge des Innenskeletts, das durch diverse Arten von Gelenken miteinander verbunden ist – von Kugelgelenken (Schulter) mit Bewegungsfreiheit in alle Richtungen bis zu Scharniergelenken (Finger, Knie), die nur eine Knickbewegung nach vorn und hinten zulassen. Deshalb laufen viele der Körperbewegungen nach dem physikalischen Hebelprinzip ab.

Was ist ein Hebel?

Jeder Hebel ist ein steifer, meist länglicher Gegenstand, der um eine Drehachse bewegt werden kann. Auf der einen Seite des Hebels befindet sich eine Last z. B. ein Gewicht, die bewegt werden soll. Um das Gewicht zu bewegen, muss auf der anderen Seite des Hebels eine Kraft aufgebracht werden. Diese Seite des Hebels wird als Kraftarm bezeichnet, die andere – auf der das Gewicht sitzt – als Lastarm.

Detailaufnahme des Roboterarms: Transport von Kugeln

Bei der dritten Aufgabe handelt es sich um das mathematische Geduldspiel "Die Türme von Hanoi". Der Kugelstapel muss von seiner Ausgangsposition auf die rechte Seite transportiert werden. Es dürfen dabei nur kleinere Kugeln auf größere gestapelt werden. Gelingt es dem Spieler, den Roboterarm so zu programmieren, dass sich diese Knobelei lösen lässt?

Auf einen Hebel wirken Kräfte ein, die den Hebel um seine Drehachse herum bewegen. Dadurch wird die Kraft umgelenkt und kann an einer anderen Stelle des Hebels ein Gewicht heben. Der Punkt, um den gedreht wird, wird auch als Drehpunkt bezeichnet. Er kann wie bei einer Wippe in der Mitte des Gegenstands, aber auch wie bei einer Schranke an einem der Enden liegen.

Möchte man untersuchen, welche Kraft Muskeln aufbringen müssen, um mit einem Arm eine Flasche hochzuheben, wird die Angelegenheit schon kompliziert. Der Grund dafür: Im menschlichen Körper sind verschiedene Hebel hintereinander geschaltet.

Knochen dienen im menschlichen Organismus als Hebel. Die Gelenke arbeiten als Drehpunkte und die Muskeln üben die Kraft aus. Damit eine Drehbewegung möglich ist, müssen die Muskeln auf beiden Seiten des Gelenks ansetzen. So kommt es durch Anspannung eines Muskels und Entspannung des gegenläufigen Muskels zu einer Drehbewegung um ein Gelenk.

Zeitschrift planet schule abonnieren
Zeitschrift planet schule abonnieren
Preisgekrönte Projekte
Preisgekrönte Projekte