Wie man einen Mars-Rover auf dem Balkon baut und wo man Open-Source-Hardware-Baupläne findet

In der Softwarewelt sind wir es gewohnt, praktisch jede Aufgabe mit ein paar Open-Source-Bibliotheken zu lösen. Braucht man eine Datenbank? Wir nehmen PostgreSQL. Braucht man einen Webserver? Wir installieren Nginx. Aber wenn ein Programmierer beschließt, etwas Physisches mit den eigenen Händen zu bauen, stößt er oft auf eine massive Mauer aus proprietären Schaltplänen, geschlossener Firmware und unglaublich teuren Laborgeräten.

Lange Zeit dachte ich, dass Open Source über Software hinaus auf das Blinken einer LED auf einem Arduino beschränkt war. Das stellt sich als völlig falsch heraus. Enthusiasten von der TU Delft haben das awesome-open-hardware Repository zusammengestellt, das das Spiel im Amateur-Engineering auf den Kopf stellt. Es enthält Baupläne für Werkzeugmaschinen, wissenschaftliche Instrumente, Controller und sogar einen sechsrädrigen Mars-Rover.

Was sich im Katalog verbirgt

Die Ersteller des Repositories haben nicht einfach alles in einen Topf geworfen. Sie haben die Liste in klare Kategorien aufgeteilt: von schwerer Maschinentechnik und Unterhaltungselektronik bis hin zu akademischen Arbeiten und Konferenzbeiträgen.

Vier Bereiche stechen besonders hervor:

1. Werkzeugmaschinen und Robotik

Das erste, was einem im Bereich Automatisierung auffällt, ist der Umfang der Projekte. Das sind keine Modelle, die man aus Pappe zusammenkleben kann:

• JPL Open Source Rover. Ein echter verkleinerter Mars-Rover von NASA JPL-Ingenieuren. Das Repository enthält vollständige Baupläne für eine Rocker-Bogie-Federung, eine Liste käuflicher Teile und Steuersoftware.
• VORON Design. Eine Familie von Hochgeschwindigkeits-3D-Druckern mit CoreXY-Kinematik. Schaltpläne, STL-Dateien für den Druck von Teilen und Firmware-Konfigurationen sind völlig kostenlos.
• Opulo. Eine automatische SMD-Bauteil-Bestückungsmaschine. Ein unverzichtbares Werkzeug, wenn man Dutzende von Platinen zu Hause löten möchte.
• FarmBot. Ein Roboter für den automatisierten Gemüseanbau in Ihrem Garten. Der Roboter bewässert Pflanzen automatisch, überwacht die Bodenfeuchtigkeit und entfernt Unkraut.

2. Verbrauchergeräte und Peripheriegeräte

Wenn Werkzeugmaschinen Garagenplatz erfordern, passen diese Projekte auf Ihren Schreibtisch:

• PiKVM. Das Projekt verwandelt ein Standard-Raspberry-Pi-Board in einen vollwertigen Hardware-KVM-over-IP. Sie verbinden das Board über HDMI und USB mit einem Server, danach können Sie BIOS fernkonfigurieren oder das Betriebssystem über einen Browser neu installieren.
• SlimeVR. Ein Satz von Trackern für Ganzkörper-Bewegungserfassung in virtueller Realität. Funktioniert ohne externe Basisstationen, unter Verwendung von Gyroskopen und ESP-Mikrocontrollern. Schaltpläne und Firmware sind offen, sodass Sie die Sensoren selbst für einen Bruchteil des Preises kommerzieller Alternativen bauen können.
• Mutable Instruments. Legendäre Synthesizer-Module im Eurorack-Format. Der Autor hat Schaltpläne und Signalprozessor-Code in die Public Domain übergeben.

3. Wissenschaftliche Instrumente

In der Regel kostet Laborausrüstung Tausende von Dollar, weshalb kleinere Forschungsgruppen oft auf die benötigten Werkzeuge verzichten müssen. Das Repository sammelt Alternativen:

• OpenFlexure. Ein hochpräzises optisches Mikroskop, dessen mechanische Komponenten vollständig im 3D-Druck herstellbar sind. Der Mechanismus ermöglicht sanfte Tischbewegungen mit Schritten kleiner als ein Mikron.
• OpenBCI. Eine Gehirn-Computer-Schnittstelle. Die Platine liest Elektroenzephalogramme und Muskelimpulse und sendet Daten an einen PC zur Verarbeitung in Python oder C++.
• Open Gamma Detector. Ein erschwingliches Gammastrahlungs-Spektrometer zur Strahlungsüberwachung.

4. Theorie, Standards und Zertifizierung

Das Repository hat einen Abschnitt für diejenigen, die tiefer in rechtliche und technische Feinheiten eintauchen möchten. Es enthält zum Beispiel Links zur OSHWA (Open Source Hardware Association) Zertifizierung. Diese Organisation hilft Ihnen, ein physisches Gerät ordnungsgemäß zu lizenzieren, damit andere es legal modifizieren und herstellen können.

Sie finden dort auch Links zu Büchern von Enthusiasten. Wenn Sie gerade erst lernen, wie man Platinen herstellt, empfehle ich Ihnen, sich Andrew „bunnie" Huangs Werk The Hardware Hacker anzusehen. Der Autor beschreibt die Feinheiten der Zusammenarbeit mit chinesischen Fabriken und zeigt, wie ein Breadboard-Prototyp zu einem Massenprodukt wird.

Wie diese Liste einem Programmierer nützt

Webentwickler oder Systemingenieure möchten oft an Mikrocontroller herankommen, wissen aber nicht, wo sie mit Löten und Gehäusedesign anfangen sollen. Das Studium anderer Open-Source-Projekte bietet einen großartigen Ausgangspunkt:

1. Fertige KiCad-Schaltpläne. Anstatt das Rad neu zu erfinden, können Sie Quelldateien für Platinen wie PiKVM oder freeDSP-Module herunterladen, sie im kostenlosen KiCad öffnen und sehen, wie erfahrene Ingenieure Leiterbahnen verlegen.
2. Code-Beispiele aus der Praxis. Die Repositories dieser Projekte sind voll von hochwertigem C/C++, Rust- und Python-Code für die Arbeit mit Hardware über I2C, SPI und UART.
3. Budget-Einsparungen. Wenn Sie ein Mikroskop für zu Hause oder ein Werkzeug für die Fernverwaltung Ihres Heim-Servers benötigen, kostet der Bau einer Open-Source-Alternative oft nur einen Bruchteil des Kaufs kommerzieller Geräte.

Wo Sie Ihren tiefen Einstieg beginnen

Das Repository wird regelmäßig aktualisiert, und das Projekt wird von einer Gemeinschaft von Forschern aus den Niederlanden unterstützt.

Wenn Sie noch nie einen Lötkolben in der Hand gehalten haben, beginnen Sie mit dem Abschnitt Verbrauchergeräte. Bauen Sie ein einfaches Projekt basierend auf Raspberry Pi oder ESP32, bei dem die Mechanik minimal ist. Wenn Sie Zugang zu einem 3D-Drucker haben, werfen Sie einen Blick auf OpenFlexure. Das Drucken und Zusammenbauen eines optischen Mikroskops dauert ein paar Abende, und das Ergebnis wird Sie mit seiner Bildklarheit überraschen.

Der awesome-open-hardware Katalog lohnt sich definitiv als Lesezeichen. Er ist ein großartiger Spickzettel, wenn man eine Pause von reiner Software machen und etwas Greifbares bauen möchte.