Aufgedeckt! Teil 2 – Diesmal: tibo

tibo ist ein vollständig auf analoger Elektronik aufgebauter Roboter. Dennoch ist er programmierbar – das ist kein Widerspruch :-) Die Programmierbarkeit basiert auf einer sehr geschickt gemachten Leiterplatte, auf der mit Hilfe von umsteckbaren Bauteilen das Verhalten des Roboters definiert oder auch programmiert werden kann. Grundsätzlich ist der Ansatz, einen kleinen mobilen Roboter nicht mit Hilfe eines Prozessors, sondern durch klassische analoge Schaltungen, zu steuern nicht neu. Dieser Ansatz ist schon länger bekannt und wird in den sogenannten BEAM-Robotern verfolgt. Ich selbst besaß in den 90ern mal einen Spielzeugroboter, der eine Linie abfahren konnte, die man mit einen schwarzen Filzstift zeichnete. Die Steuerung bestand tatsächlich nur aus vier Transistoren und einigen Widerständen.

Aber in unserer Rubrik geht es ja darum, ein wenig hinter die Kulissen zu schauen und nicht die Informationen zu wiederholen, die über tibo im Netz bereits zu finden sind.

Beginnen wir also zunächst mit dem Aufbau und versetzen uns in die Lage eines Laien, der möglicherweise das erste Mal einen Lötkolben in der Hand hält. Auch die Dokumentation von tibo geht von dieser Position aus und beginnt mit Grundlagen zur Löttechnik. Praktischerweise ist diese Anleitung, auch ohne einen Bausatz von tibo kaufen zu müssen, frei im Netz verfügbar. Wir empfehlen daher jedem, der sich den Bausatz zulegen möchte, zunächst einen Blick hinein zu werfen, um zu sehen, was auf ihn zukommt. Unser Tipp: Wer sich möglicherweise überfordert fühlt, kann im Familien- oder Freundeskreis nach kompetenter Unterstützung fragen, bevor er übereilt das Projekt abbricht. So etwas kann auch ein tolles Vater-Sohn-Projekt sein, oder man fragt mal den Physiklehrer….

Als kleine Unterstützung wollen wir hier mit einem kleinen Video den Lötvorgang zeigen.
Außerdem wird darin vermittelt, wie man sich mit ein wenig Schaumgummi die Bestückung sehr erleichtern kann. Das Löten ist wirklich nicht schwer, die meisten Lötststellen unseres Test-Bausatzes hat z.B. meine zehnjährige Tochter aufgebaut.

Wenn wir nun einen Blick auf die Komponenten werfen, aus denen tibo aufgebaut wird, fallen die hochwertigen Getriebemotoren auf. Die kleinen Zahnräder der Getriebe bestehen aus Metall und nicht aus Kunststoff wie bei billigen Spielzeugen. Über einen vorzeitigen Verschleiß muss man sich also keine Gedanken machen. Von ähnlich hoher Qualität sind auch die anderen Bauteile. Kleine Hinweise im Bausatz bringen uns auf die Spur zum Webshop „Pololu“. Aus diesem stammen scheinbar die meisten mechanischen Komponenten von tibo. Hier bekommen wir auch eine Ahnung, wie der von manchen als hoch kritisierte Preis des Bausatzes zu Stande kommt. Addiert man die Einzelpreise bekannter Bauelemente und gibt noch eine passende Marge für Vertrieb und Verdienst hinzu, ist der Bausatzpreis darstellbar. Pfiffig ist aber auch die Lösung, anstelle eines Steckers die vier Gewindebolzen, mit denen tibo montiert wird, zu verwenden, um die notwendigen elektrischen Verbindungen zwischen unterer und oberer Platine herzustellen.

tibo: untere Platine mit Getriebemotor © Roboterwelt

tibo ist nun aufgebaut, sehen wir uns also jetzt ein paar Kenndaten im Betrieb an. Sehr relevant für tibo’s Performance ist die Entscheidung, ob als Energiequelle Batterien oder Akkus eingesetzt werden. Denn mit dieser Wahl liegt die Betriebsspannung entweder bei +-2,4V (NiCd-/NiMH-Akkus) oder bei +-3V (Zink-Kohle- / Alkali-Batterien). tibo kommt mit Beidem klar, da die Motoren jedoch direkt mit dieser Spannung versorgt werden, ist er mit Batterien natürlich etwas schneller.

Nennen wir mal Zahlen: Mit frischen Batterien legt tibo 21cm pro Sekunde zurück, mit Akkus 17 cm pro Sekunde. Fährt tibo ständig auf ebener Fläche umher, benötigt er etwa 100mA Strom. Je nach verwendeter Batterietechnologie ergibt sich damit eine Laufzeit von 12 Stunden (Alkali 1200mAh) oder 9 Stunden (NiMH 900mAh). Unsere Empfehlung ist die Verwendung von Akkus. Nicht nur aufgrund der Möglichkeit, umweltfreundlich wieder aufzuladen, sondern auch, weil ein Batterietausch ein ziemliche Fummelei ist – zum Beispiel aufgrund von zwei Schrumpfschlauchstücken.

Die Antriebsmotoren werden direkt aus den Operationsverstärkern betrieben. Abhängig von der Belastung im normalen Fahrbetrieb benötigen tibo’s Motoren jeweils 30-60mA. Der eingesetzte Operationsverstärker TS922 von STMicroelectronics ist eigentlich für den Betrieb mit kleinen Lautsprechern oder Kopfhörern gedacht. Die Motoren stellen für den Operationsverstärker kein Problem dar. Die Bausteine besitzen allerdings keinen Schutz gegen Kurzschluss mit der Versorgungsspannung (+ bzw. -). Man sollte sich daher immer an das gedachte Schaltungsprinzip über die Stecksockel halten und nicht spaßeshalber wild verdrahten.

Was uns am Design nicht so gut gefallen hat, ist, dass tibo für die klassische Einsteigeraufgabe „Linienverfolgung“ auf das Umgebungslicht angewiesen ist. Das hat leider mehrere Nachteile: Es macht die Optimierung der Regelung schwieriger und wenn die Sonne am Fenster kommt und geht, ändern sich jedes Mal die Bedingungen. Der Betrieb mit Kunstlicht (LED und Leuchtstoffröhren; Glühlampen sterben aus) am Abend ist auch nicht einfach. Aber es gibt Abhilfe:
Wir haben dafür einfach die zwei roten LED’s, die den Batteriezustand signalisieren, auf die Unterseite gelötet und in Richtung der Sensoren gebogen.

Hilfsbeleuchtung zur Linienverfolgung © Roboterwelt

Nun findet tibo die Line auch bei schlechten Lichtbedingungen.

Noch ein Hinweis: tibo sollte man immer schön sauber und natürlich von Flüssigkeiten fernhalten. In den Schaltungen der Experimente werden oftmals sehr hochohmige Widerstände (1M Ohm bis 10M Ohm) eingesetzt. Hier verändert jeder Flüssigkeitsfilm auf der Platine oder auch nur die Berührung mit dem Finger das Verhalten der Schaltung zum Teil erheblich. Auch Messungen mit einem Multimeter, um zum Beispiel Spannungspegel zu prüfen, sind in vielen Schaltungsteilen nicht möglich, ohne die Funktion zu beeinflussen.

Zugegeben, was wir hier mit der Sprühflasche gemacht haben, war schon ganz schön heftig, aber die Auswirkung war so sehr deutlich zu sehen.

Aus Sicht eines Elektronikers hätten wir uns in der Dokumentation noch einen kompletten Schaltplan von tibo gewünscht. Auch die Typenbezeichnungen der IR-LED’s und Fototransistoren hätten uns interessiert. Nicht etwa, weil er zum Aufbau oder Betrieb notwendig gewesen wäre, sondern eher im Sinne des vollständigen Verständnisses und der möglicherweise notwendigen Fehlersuche.

Fazit

tibo ist ein schöner Roboter, der ohne Programmierkenntnisse tolle Experimente erlaubt. Ein wenig Geschick ist beim Aufbau zwar notwendig, aber die Dokumentation ist gut und hilfreich. Die Qualität der verwendeten Bauelemente ist außergewöhnlich gut, und in Anbetracht der Einzelpreise der Bauelemente ist auch der Gesamtpreis vertretbar. Nur Wasser und Messgeräte mag tibo gar nicht.