Kult-Spiel goes High-Tech

Angetrieben wird der Schieber durch einen kolbenstangenlosen DGC-Zylinder. Darüber befinden sich die sieben ADN-Normzylinder.

SOEC: Farben zuverlässig erkennen

Mittels einer im 50 x 50 x 17 mm großen Gehäuse integrierten weißen LED-Lichtquelle erkennt der SOEC-RT-Q50 unabhängig von Fremdlicht Objekte im Arbeitsbereich. Die Schaltfrequenz beträgt 500 Hz. Neue Farben von Objekten lernt der Sensor über drei voneinander unabhängige Kanäle per Teach-in. Bei Übereinstimmung des Prüfobjekts mit der Referenzfarbe aktiviert der Sensor einen der 3 Schaltausgänge. Mit fünf definierbaren Grenzwerten erfolgt die Abstimmung des Sensors auf die Farbe des Prüfobjektes. Selbst ganze Farbspektren lassen sich scannen, um beispielsweise Farbfehler oder Aufdrucke sicher zu erkennen.

Ob fünf oder 55 Jahre alt, ob Mann oder Frau – jeder hat es in seinem Leben bereits getan: „Vier gewinnt“ gespielt. Wer als erstes vier der eigenen Spielsteine in eine Linie bringt, hat gewonnen – so simpel wie unterhaltsam. 1974 wurde das muntere Steineplatzieren von dem US-Amerikaner Milton Bradley erfunden. Knapp 40 Jahre später beginnt für das beliebte Strategiespiel eine neue Ära: Kult-Spiel goes High-Tech. Der Gegner heißt nicht mehr bester Freund, Bruder oder Lieblingstante. Der Gegner heißt: Roboter.

Die Steine werden durch ADN Kurzhubzylinder im Schacht gehalten. Unterhalb erkennt man den Schieber, der die Steine weiterführt.

Das Vakuum wurde gefüllt

Um auch dann spielen zu können, wenn kein Gegner in Sicht ist, haben sich Gebhard Wurzer und Wolfgang Biasi im Rahmen ihrer Bachelorarbeiten zum Ziel gesetzt, „vier gewinnt“ zu automatisieren. Die beiden Tiroler studieren berufsbegleitend „Mechatronik – Maschinenbau“ am Management Center Innsbruck. Mit der Eröffnung des Studienganges Mechatronik ist es dem MCI im Jahr 2008 gelungen, ein Vakuum in der westösterreichischen Bildungslandschaft zu füllen. Pro Jahr werden rund 70 Vollzeit- und berufsbegleitend Studierende im Bachelor-, und nochmals rund 35 Studierende im Masterstudiengang, aus Österreich und dem benachbarten Ausland in Innsbruck zu akademischen Mechatronikern ausgebildet.

4 gewinnt – das Kult-Spiel wurde von Tiroler Studierenden neu inszeniert.

Ein Roboter in der Auslage

Mit praktischen Projekten soll das Interesse an Technik bei Jung und Alt geweckt werden – oft auf ganz besondere Art und Weise. Und so kann sich in Zukunft jeder Passant, der in der Innsbrucker Innenstadt am MCI-Gebäude vorbeikommt, in einem direkten „4 gewinnt“-Duell gegen den Roboter messen. „Mensch gegen Maschine“ lautet das Motto: auf der einen Seite eine reale Person, auf der anderen ein Steuerungsrechner, der ebenfalls die Intelligenz besitzt, völlig autonom Spielzüge durchzuführen. Getrennt sind beide lediglich durch eine Schaufensterscheibe, an der sich ein Eingabefeld für die Passanten befindet. Auch das wurde von MCI-Studierenden entwickelt.

für die zuverlässige Erkennung der Farben der Spielsteine beim Sortieren sorgt der Farbsensor SOEC von Festo.

Ein paar Knopfdrücke genügen ...

... und das Spiel kann beginnen: Sobald der Roboter den Befehl von außen erhalten hat, nimmt er einen Spielstein in der richtigen Farbe aus der Aufnahmestation und lässt ihn in den gewünschten Schlitz des Spielfelds fallen. Die Maschine analysiert, berechnet – und setzt daraufhin mit Hilfe eines speziell programmierten Min-Max-Algorithmus den Gegenzug. „Der Roboter ist das ausführende Organ, das die Spielsteine nach Wunsch des Passanten und des Computers setzt. Aus Sicherheitsgründen erfolgt die Verbindung zwischen Passanten und Roboter ohne direkten Kontakt – die Passanten stehen außen vor der Scheibe und geben dem Roboter die vordefinierten Kommandos über das Eingabefeld“, erklärt Repetzki.

Ein Parallelgreifer HGP nimmt die Steine auf führt sie in den gewünschten Schacht.

800 Stunden Arbeit

Rund 800 Stunden Arbeit haben die beiden Studenten Gebhard Wurzer und Wolfgang Biasi in ihre Automatisierungslösung von „Vier gewinnt“ gesteckt. Während Biasi in erster Linie für die Konstruktion und Überarbeitung des Spielfeldes verantwortlich war, beschäftigte sich Wurzer intensiv mit den Themen Spielfeldsteuerung, Spielalgorithmus und Robotergreifer. Das Projekt war also kollaborativ aufgebaut. Als Grundlage diente ein Konzept, das bereits früher von einem MCI-Absolventen geschrieben wurde. „Bei der Überarbeitung und anschließenden Umsetzung des Konzeptes haben wir vor allem auf eine fertigungsgerechte und montagefreundliche Konstruktion geachtet. In diesem Punkt hat vor allem die Bildung von sinnvollen Baugruppen eine wichtige Rolle gespielt“, sagt Biasi. Aus diesem Grund war Festo erster Ansprechpartner, wenn es um die Pneumatik ging. „Mit Hilfe der Festo Komponenten konnten wir einzelne Stationen auf dem Spielfeld vereinfachen und beschleunigen“, freut sich Wurzer.

Michael Wurm, Festo Gebietsverkaufsleiter, Wolfgang Biasi, Student am MCI, Gebhard Wurzer, Student am MCI, Andreas Mehrle, Studiengangsleiter „Mechatronik – Maschinenbau“ und Sebastian Repetzki, Lektor am MCI Department Mechatronik.

Festo sorgt für klare Verhältnisse

Station für Station im Überblick: Dass jeder der sieben Schächte des Spielfelds nach Ende des Spiels geöffnet und geleert wird, dafür sorgen sieben ADN Kurzhubzylinder, die von Magnetventilen VTUG 10 mit elektrischer Einzelanbindung angesteuert werden. Ein weiteres Magnetventil steuert einen kolbenstangenlosen DGC Zylinder an, der die Spielsteine dann in die richtige Richtung lenkt. Zwei weitere Magnetventile sorgen für die Vereinzelung der Spielsteine. Danach trennen sich im Sortierschieber die Wege der gelben und orangen Steine. Nach Geometrie, nach Material oder nach Farbe? Wie die Steine automatisch unterschieden werden können, war für die Studenten nur eine von vielen kniffligen Fragen bei der Konstruktion. „Am Ende war die Lösung aber überraschend einfach – dank eines Farbsensors von Festo“, sagt Wurzer. Und so sorgt nun der Farbsensor SOEC in Verbindung mit ADM Kompaktzylindern mit Mehrstellungsbausatz für klare Verhältnisse – nämlich dafür, dass Orange und Blau zuverlässig voneinander getrennt werden.

Beim Spiel Mensch gegen Maschine übernimmt ein Roboter das Einwerfen der Steine.

Alles fest im Griff

Die Ansteuerung der verschiedenen Aktoren am Spielfeld wird zentral von einer VTUG-Ventilinsel mit Parallelverdrahtung übernommen. Neben der Pneumatik am Spielfeld kommt auch ein Parallelgreifer des Typs HGP von Festo zum Einsatz und sorgt für das Aufnehmen und Einwerfen der Bausteine in den jeweiligen Schacht. „Wir haben ein Greifkonzept entwickelt, das die Anforderungen an schnelle Reaktion und einfachen Auf- und Abbau optimal erfüllen kann“, sagt Wurzer über den pneumatischen Greifer, der mittels DeviceNet-Busknoten in die Robotersteuerung implementiert wurde.

Die Vielfalt der Mechatronik

„Das Projekt hat uns sämtliche Skills in der Mechanik, Pneumatik und Elektrik technologieübergreifend abverlangt“, bilanzieren die beiden Studenten Gebhard Wurzer und Wolfgang Biasi unisono. Teils konnten sie ihre bereits vorhandene Berufserfahrung in ihre Abschlussarbeiten einbringen, teils konnten sie durch ihre Abschlussarbeiten am MCI wertvolle neue Erfahrungen sammeln. „Dieses spannende mechatronische Projekt hat gezeigt, wie viel Aufwand hinter einer einfachen Idee steht. Mit Praxisprojekten wie diesen möchten wir zeigen, was und wie vielfältig Mechatronik ist – und was unsere Studierenden zu leisten imstande sind“, freut sich Bachelorarbeits-Betreuer Sebastian Repetzki über die Realisierung des „Vier gewinnt“-Roboters. Doch ganz ist das Projekt noch nicht abgeschlossen. „Was noch fehlt, ist die Anbindung des Interfaces zwischen Roboter und Passant“, so Repetzki. Das wird Aufgabe für zwei weitere Studierende des MCI sein …