DIY-Roboter mit KI: Bauanleitung & Sprachsteuerung in Deutsch

In der heutigen Welt der Technologie und Robotik gibt es unzählige Möglichkeiten, kreativ zu werden und eigene Projekte zu realisieren. Eines dieser Projekte ist der Bau eines DIY-Roboters mit KI, der per Sprachsteuerung bedient werden kann. Dieser Artikel bietet Ihnen eine detaillierte Anleitung und Einblicke, wie Sie einen solchen Roboter von Grund auf selbst bauen können. Er ist ideal für Robotik-Enthusiasten, Bastler und alle, die ihr technisches Wissen erweitern möchten.

Was ist ein DIY-Roboter?

Ein DIY-Roboter (Do It Yourself) ist ein Roboter, den man selbst baut, anstatt ihn fertig zu kaufen. Dies ermöglicht eine hohe Flexibilität und Individualisierung. Der Schwerpunkt liegt darauf, eigene Ideen und Lösungen umzusetzen. Solche Projekte sind nicht nur unterhaltsam, sondern auch lehrreich, da sie praktische Erfahrungen in den Bereichen Elektronik, Mechanik und Programmierung vermitteln. Der hier beschriebene Roboter nutzt KI und Sprachsteuerung, um auf Befehle zu reagieren und Aufgaben auszuführen. Dabei greift das System auf Arduino-basierte Steuerungen und Python-Programmierung zurück.

PVC-Platten bieten eine leichte, aber robuste Grundlage für den Bau. Durch die Verwendung einer speziell angefertigten Leiterplatte (PCB) wird eine saubere und effiziente Verbindung aller elektronischen Komponenten gewährleistet.

Materialien und Komponenten

Für den Bau dieses Roboters benötigen Sie folgende Materialien und Komponenten:

• PVC-Platten: Diese dienen als Grundmaterial für die Struktur des Roboters. Sie sind leicht zu bearbeiten und bieten eine gute Stabilität.
• Leiterplatte (PCB): Eine individuell gestaltete Leiterplatte, gefertigt bei pcbway.com, sorgt für die notwendigen Verbindungen zwischen den elektronischen Bauteilen. Es ist ein Anbieter, der für seine Zuverlässigkeit und kostengünstigen Dienstleistungen bekannt ist.
• Arduino Nano: Ein kompakter Mikrocontroller, der das Herzstück des Roboters bildet und die Steuerung übernimmt.
• Servomotoren: Für die Bewegung von Armen und Kopf werden Servomotoren eingesetzt.
• Ultraschallsensor: (Optional) zur Hinderniserkennung und Navigation.
• USB-Kabel: Für die Stromversorgung und Datenübertragung zum PC.
• Weitere Kleinteile: Kabel, Widerstände, LEDs, Lötmaterial usw.

Diese Komponenten bilden die Grundlage für einen funktionierenden und individuell anpassbaren Roboter. Die Wahl der richtigen Materialien ist entscheidend für die Stabilität und Funktionalität des Roboters.

Die Rolle von Arduino und Python

Arduino übernimmt die Hardwaresteuerung des Roboters. Die Programmierung erfolgt in C++ oder einer Arduino-spezifischen Sprache. Hier werden die grundlegenden Funktionen wie Motorsteuerung und Sensorwerte verarbeitet. Python hingegen wird für die Spracherkennung, Text-to-Speech-Konvertierung und die übergeordnete Steuerung verwendet. Die Kommunikation zwischen Arduino und Python erfolgt über die serielle Schnittstelle. Python ist hier die treibende Kraft für die KI-Funktionen.

Es ermöglicht die Interpretation von Sprachbefehlen und die Umsetzung in entsprechende Aktionen des Roboters.

Schritt 1: Erstellung des Schaltplans und der Leiterplatte

Bevor Sie mit dem Bau des eigentlichen Roboterkörpers beginnen, ist es wichtig, einen detaillierten Schaltplan und eine Leiterplatte (PCB) zu erstellen. Hierfür können Sie eine spezielle Software wie EasyEDA verwenden.

Der Schaltplan visualisiert die Verbindungen zwischen den verschiedenen elektronischen Komponenten, während die Leiterplatte die physische Grundlage für die Komponenten darstellt.

Der Schaltplan sollte folgende Elemente beinhalten:

• Arduino Nano Mikrocontroller
• Servomotoren für die Bewegungssteuerung
• Ultraschallsensor (optional) zur Hinderniserkennung
• Stromversorgung und zugehörige Schutzschaltungen
• Anschlüsse für die serielle Kommunikation

Die Leiterplatte wird anschließend auf Basis des Schaltplans entworfen. Dabei ist auf eine übersichtliche Anordnung der Komponenten und eine einfache Verdrahtung zu achten. Nutzen Sie die 3D-Ansicht in EasyEDA, um eine realistische Vorstellung der fertigen Leiterplatte zu erhalten.

Sobald der Entwurf abgeschlossen ist, kann die Leiterplatte bei einem Dienstleister wie PCBWay bestellt werden. PCBWay bietet eine kostengünstige und schnelle Fertigung von Leiterplatten an.

Schritt 2: Bestellung der Leiterplatte bei PCBWay

Nach dem Erstellen des Schaltplans und des PCB-Layouts in EasyEDA ist der nächste Schritt die Bestellung der Leiterplatte bei PCBWay.

PCBWay ist ein bekannter und zuverlässiger Hersteller von Leiterplatten, der sich durch günstige Preise und schnelle Lieferzeiten auszeichnet.

Um die Leiterplatte zu bestellen, gehen Sie wie folgt vor:

1. Besuchen Sie die Website von PCBWay.
2. Laden Sie die Gerber-Dateien hoch, die Sie aus EasyEDA exportiert haben.
3. Prüfen Sie die automatisch erkannten Board-Informationen (Größe, Anzahl der Lagen usw.).
4. Wählen Sie die gewünschten Optionen (Material, Lötstopplackfarbe, Oberflächenfinish usw.).
5. Führen Sie die Bestellung durch.

PCBWay bietet auch die Möglichkeit, SMD-Schablonen (Stencil) zusammen mit den Leiterplatten zu bestellen. Dies erleichtert das Aufbringen von Lötpaste auf die Leiterplatte erheblich, insbesondere bei feinen SMD-Bauteilen.

Nach der Bestellung dauert es in der Regel nur wenige Tage, bis die fertige Leiterplatte geliefert wird. Die Qualität der Leiterplatten von PCBWay ist sehr gut, was eine zuverlässige Basis für das Roboterprojekt bietet.

Schritt 3: Zusammenbau der Leiterplatte

Sobald die bestellte Leiterplatte eingetroffen ist, kann mit dem Bestücken und Löten der elektronischen Komponenten begonnen werden.

Gehen Sie dabei sorgfältig vor und achten Sie auf die korrekte Polarität der Bauteile (z.B. bei LEDs und Elektrolytkondensatoren).

Die folgenden Schritte sind empfehlenswert:

1. Beginnen Sie mit den SMD-Bauteilen, da diese am schwierigsten zu löten sind. Verwenden Sie eine SMD-Schablone und Lötpaste, um die Bauteile aufzubringen.
2. Löten Sie anschließend die bedrahteten Bauteile ein. Achten Sie darauf, dass die Lötstellen sauber und glänzend sind.
3. Überprüfen Sie die Leiterplatte sorgfältig auf Lötbrücken und Fehler. Verwenden Sie ggf. eine Entlötpumpe oder Entlötlitze, um Fehler zu korrigieren. Das ist besonders wichtig, um Kurzschlüsse zu vermeiden.

Nach dem Zusammenbau sollte die Leiterplatte mit Isopropanol gereinigt werden, um Flussmittelreste zu entfernen. Dies verbessert die Zuverlässigkeit der Schaltung.

Schritt 4: Bau des Roboterkörpers

Nachdem die elektronische Steuerung fertiggestellt ist, kann mit dem Bau des Roboterkörpers begonnen werden.

Hierfür werden PVC-Platten verwendet, die leicht zu bearbeiten und dennoch stabil sind.

Gehen Sie dabei wie folgt vor:

1. Erstellen Sie einen Entwurf des Roboterkörpers. Berücksichtigen Sie dabei die Größe der Leiterplatte und die Position der Servomotoren.
2. Übertragen Sie den Entwurf auf die PVC-Platten.
3. Schneiden Sie die einzelnen Teile mit einem Cutter oder einer Säge aus.
4. Verkleben Sie die Teile mit einem geeigneten Kleber (z.B. Sekundenkleber oder PVC-Kleber).
5. Bohren Sie Löcher für die Befestigung der Servomotoren und anderer Bauteile.

Achten Sie darauf, dass der Roboterkörper stabil und robust ist. Die Servomotoren sollten sicher befestigt sein, um eine präzise Bewegung zu gewährleisten.

Der hier gezeigte Roboter hat drei Freiheitsgrade: Bewegung der Arme und des Kopfes. Dies ermöglicht eine Vielzahl von Aktionen und Interaktionen.

Schritt 5: Zusammenbau und Verkabelung

Nachdem der Roboterkörper fertiggestellt wurde, können die elektronischen Komponenten eingebaut und verkabelt werden.

Gehen Sie dabei wie folgt vor:

1. Befestigen Sie die Leiterplatte im Roboterkörper.
2. Verbinden Sie die Servomotoren mit der Leiterplatte. Achten Sie auf die korrekte Zuordnung der Kabel (Stromversorgung, Masse, Signal).
3. Schließen Sie den Ultraschallsensor (optional) an die Leiterplatte an.
4. Verbinden Sie den Roboter über das USB-Kabel mit dem PC.

Überprüfen Sie die Verkabelung sorgfältig, um Kurzschlüsse und Fehler zu vermeiden.

Eine saubere und übersichtliche Verkabelung erleichtert die Fehlersuche und Wartung.

Schritt 6: Programmierung des Roboters

Nachdem der Roboter mechanisch und elektrisch zusammengebaut wurde, muss er noch programmiert werden. Hierfür werden sowohl Arduino (C++) als auch Python verwendet.

Gehen Sie dabei wie folgt vor:

1. Laden Sie die Arduino IDE herunter und installieren Sie sie.
2. Installieren Sie die benötigten Bibliotheken (z.B. Servo-Bibliothek).
3. Kopieren Sie den Arduino-Code auf den Arduino Nano.
4. Laden Sie Python 3 herunter und installieren Sie es.
5. Installieren Sie die benötigten Python-Bibliotheken (z.B. pywhatkit, speech_recognition, pyttsx3).
6. Kopieren Sie das Python-Skript auf Ihren PC.
7. Konfigurieren Sie die serielle Schnittstelle im Python-Skript entsprechend Ihrem Arduino-Port.

Der Arduino-Code steuert die Servomotoren und liest die Sensorwerte aus. Das Python-Skript interpretiert die Sprachbefehle und sendet die entsprechenden Steuersignale an den Arduino.

Sprachsteuerung aktivieren und nutzen

Um die Sprachsteuerung zu aktivieren, starten Sie das Python-Skript auf Ihrem PC. Das Skript lauscht nun auf Sprachbefehle. Stellen Sie sicher, dass Ihr Mikrofon korrekt konfiguriert ist und die Spracherkennung funktioniert.

Beispiele für Sprachbefehle:

• "Hallo"
• "Suche Ashraf Minhaj"
• "Spiele Shape of You"

Die Python Programmierung ermöglicht eine Interpretation der Sprachbefehle.

Materialkosten im Detail

Die Kosten für den Bau dieses DIY-Roboters variieren je nach Bezugsquelle und gewählten Komponenten.

Hier eine grobe Schätzung:

• PVC-Platten: 5-10 Euro
• Leiterplatte (PCB): 5-10 Euro (bei PCBWay)
• Arduino Nano: 10-15 Euro
• Servomotoren: 15-30 Euro (je nach Anzahl und Qualität)
• Ultraschallsensor: 5-10 Euro
• Kleinteile (Kabel, Widerstände, LEDs): 5-10 Euro

Insgesamt belaufen sich die Materialkosten auf ca. 45-85 Euro. Hinzu kommen ggf. noch Kosten für Werkzeuge, sofern diese noch nicht vorhanden sind. Die Leiterplatte ist bei PCBWay besonders günstig zu beziehen. Für 5$ erhält man bereits 10 Stück der double Layer PCB.

Es ist ratsam, die Preise der einzelnen Komponenten zu vergleichen und ggf. auf Angebote zu achten. Die Kosten können auch durch die Verwendung von recycelten Materialien reduziert werden.