Escape Game: Blackbox
| Autoren: | Timo Hardes, Nathan Janzen |
| Betreuer: | Prof. Krome |
Einleitung
Grundlegende Idee des Escape Games Blackbox ist die, dass den Spielern eine schwarze Box zur Verfügung steht, welche keinerlei Erklärungen und Hinweise enthält. Ziel des Spieles ist wie vorgeschrieben, dass ein 3-4-stelliger Zahlencode bei erfolgreichem Lösen bekanntgegeben werden muss.
Spielgrundlage ist die Blackbox. Diese ist mit zwei im begrenzten Maß ausziehbaren Stäben und einer Drehscheibe versehen.
Die Stäbe verfügen über einen Verstellweg von etwa 7 cm und die Drehscheibe lässt sich unbegrenzt verdrehen. Werden die zwei Stäbe im passenden Maß herausgezogen/hineingeschoben und die Drehscheibe um den richtigen Winkel gedreht, so wird durch eine weitere Lösungs-Drehscheibe (nicht von außen verdrehter sondern von innen über einen Servo gesteuert) der Code sichtbar. Das Rätsel der Blackbox ist gelöst! (Zusatzinformation: Die Lösungs-Stellung der Stäbe toleriert Fehler von +/- 5 mm)
Das Rätsel-Team sollte also in systematischer Weise die Stellung der Stäbe und der Drehscheibe so verändern, dass der Code sichtbar wird.
Dabei ist eine Systematik beim Lösen des Rätsels unabdingbar, da sonst die Wahrscheinlichkeit des Findens der korrekten Stellung gering ist.
Schwierigkeitsgrad: Einsteiger
Lernziel: Durch eine systematische Herangehensweise an die Problemstellung des Escape Games Blackbox lernen die Spieler, dass es sich lohnt und wichtig ist, Probleme systematisch anzugehen. Dieses Lernziel kann und sollte Folgen weit über das bessere Lösen von Rätseln haben.
Bezug zum MTR Studium: Zusammenspiel von Sensoren und eines Aktuators (mechatronisches System)
Anforderungen
| Nr | Inhalt | Prüfbarkeit | Prio | Ersteller | Datum | Geprüft von | Datum |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Das Puzzle startet nach Einschalten der Stromversorgung direkt. | Status-LED des Arduino | 1 | Timo Hardes | 06.10.2025 | ||
| 2 | Der Mikrocontroller ließt durchgehend die Abstandssensoren aus. | Auswertung der Sensordaten über Seriellen Monitor | 1 | Timo Hardes | 06.10.2025 | ||
| 3 | Die gemessenen Signale werden durch Filter geglättet, um Fehler zu vermindern. | Auswertung der Sensordaten über Seriellen Monitor | 1 | Timo Hardes | 06.10.2025 | ||
| 4 | Bei korrekter Kombination dreht sich der Servomotor und zeigt die Ziffern für das Schloss. | Sichtkontrolle | 1 | Timo Hardes | 06.10.2025 | ||
| 5 | Die Stäbe haben einen Verstellweg von etwa 6 cm. | Messen | 3 | Timo Hardes | 06.10.2025 | ||
| 6 | Die Drehscheibe kann um 360° gedreht werden. | Sichtkontrolle | 3 | Timo Hardes | 06.10.2025 | ||
| 7 | Die Stäbe sind ohne großen Kraftaufwand frei beweglich, dürfen aber nach Verschieben nicht verrutschen. | Manuelle Funktionskontrolle | 2 | Timo Hardes | 06.10.2025 | ||
| 8 | Die Drehscheibe ist ohne großen Kraftaufwand frei drehbar, darf aber nach Verdrehen nicht von selbst den Winkel ändern. | Manuelle Funktionskontrolle | 2 | Timo Hardes | 06.10.2025 | ||
| 9 | Die Ziffern werden wieder verdeckt, wenn mindestens ein Abstand nicht mehr richtig eingestellt ist. | Manuelle Funktionskontrolle | 2 | Timo Hardes | 06.10.2025 | ||
| 10 | Die Stäbe akzeptieren eine Toleranz von +/- 5 mm. | Messen | 2 | Nathan Janzen | 08.10.2025 |
Funktionaler Systementwurf / Technischer Systementwurf
Die grundlegende Funktionsweise des Escape Games Blackbox basiert auf der Nutzung von Abstandssensoren. Im Fall der Stäbe befinden sich ihnen gegenüberliegend die Abstandssensoren mit Sender und Empfänger, welche den Abstand messen. Die Stäbe besitzen einen Stellbereich von etwa 6 cm und reflektieren an ihrem Ende das gesendete Signal vom US-Sensor. Dieses reflektierte Signal wird vom US-Sensor detektiert und aus der Laufzeit des Signals wird der Abstand berechnet.
Die Drehscheibe ist in mehrere gleichgroße Stücke aufgeteilt, welche eine unterschiedliche Höhe aufweisen. Der Drehscheibe gegenüber liegt ein wenig exzentrisch ebenfalls ein Abstandssensor, welcher über das selbe Prinzip den Abstand misst.
Diese Signale werden über Signalleitungen (vgl. Abbildung 3) an einen Arduino Uno R3 gegeben, welcher sie Filter. Stimmen nun die Position der Stäbe (+/- 5 mm) und die der Drehscheibe, so steuert der Arduino (über die orange Leitung in Abbildung 3) einen Servomotor an, welcher die Lösungs-Drehscheibe dreht und so den Ziel-Code (3-4-stellig) freigibt.
Technisch lässt sich das System durch den in Abbildung 1 dargestellten Schaltungsentwurf realisieren. Die dabei zur Anwendung kommenden Bauelemente sind der Tabelle 2 zu entnehmen.
Die Signale der drei Abstandssensoren werden von einem Mikrocontroller verarbeitet. Wird der Abstand der Stäbe (mit etwas Toleranz) korrekt eingestellt und wird die Drehscheibe um den richtigen Winkel verdreht, so steuert der Mikrocontroller ein Servo an und dreht dieses um eine halbe Umdrehung. Eine Scheibe, welche zur Hälfte schwarz und auf der anderen Hälfte mit dem Code versehen ist, dreht sich. Dies führt dazu, dass durch eine halbkreis-förmige Aussparung der Code für die Spieler sichtbar wird.
Komponentenspezifikation
| Komponente | Beschreibung |
|---|---|
| Funduino Arduino UNO R3 |
Quelle: [1] |
| Ultraschall-Sensor |
Quelle: [2] |
| Servo |
Quelle: [3] |
| Netzteil für Mikrokontroller - 9 V, 1 A |
Quelle: [4] |
Umsetzung (HW/SW)
Hardware:
Zu Beginn der Planungs- und Entwicklungsphase der Hardware erscheint es sinnvoll, zunächst einen rudimentären Aufbauplan des Projekts zu erstellen. Dazu wurde ein 3D-Modell mithilfe der Software SolidWorks erstellt, welches in Abbildung eins und zwei zu sehen ist.
Dabei lässt sich feststellen, dass bereits in der Planungs- und Entwicklungsphase Probleme bewältigt beziehungsweise umgangen werden können. Dies zeigt sich in dem rudimentären Entwurf durch die Anordnung der ausziehbaren Stäbe. Diese sind so angeordnet, dass sie horizontal ausziehbar sind, was das Problem des eigenständigen Verstellens verhindern soll. Außerdem sollte bereits so entworfen werden, dass die Sensoren sich nicht gegenseitig behindern.
Es sollte beim Entwurf der Hardware des Weiteren drauf geachtet werden, welchen Arbeitsbereich die Sensoren aufweisen. Beispielsweise sollte bei den Stäben beachtet werden, dass der Messbereich des Sensors begrenzt ist (zu geringe Entfernungen sind nicht zuverlässig messbar). Außerdem sollte die Drehscheibe so konstruiert werden, dass dass der Ultraschallsensor ausreichend Fläche hat, welche das Signal reflektiert. Dies hängt maßgeblich von dem Abstrahlwinkel des Sensor-Triggers ab.
Weiterer Teil der Planungs- und Entwicklungsphase ist das Beschaffen beziehungsweise Erstellen von 3D-Modellen jedes verwendeten Bauteils. Diese können dann als Grundlage eines konkreten Entwurfs der Hardware verwendet werden.
Nach der Beschaffung beziehungsweise Erstellung der Modelle der verwendeten Bauteile konnte anschließend (vgl. GANTT-Diagramm) begonnen werden, die CAD Modelle zu erstellen.
Zunächst wurde mit der Erstellung eines Gehäuse-Modells begonnen. Hierbei war es sehr hilfreich, dass bereits Modelle der Einzelteile vorlagen. Diese konnten wichtige Maße liefern und durch den Einbau in einer Baugruppe die korrekte Konstruktion sicherstellen. Bei der Erstellung des Gehäuses musste darauf geachtet werden, dass der Bauchraum der 3-D Drucker nicht überschritten wird. Zudem musste beachtet werden, dass die Sensoren einen charakteristischen Arbeitsbereich besitzen. Dieser musste mit berücksichtigt werden. Wurde so konstruiert, dass Material gespart wird. Dies war besonders Folge der engen Absprache mit dem Betreuer (Herrn Ebmeyer) für den 3D-Druck. So konnten Strukturen erzeugt werden, die sich durch den Drucker ohne Stützstruktur drucken lassen jedoch Material sparen. Dies ist an der Basisplatte für den Servo und an den Material Verstärkungen für die translatorisch verschiebbaren Stäbe gut sichtbar zusätzlich zur Konstruktion der Basisplatte für den Servo wurden Aufnahmen für die Ultraschallsensoren konstruiert. Dabei wurden zwei Ultraschallsensoren auf horizontale Abstandsmessungen ausgelegt, wohingegen ebenfalls eine Aufnahme für einen nach oben hin messenden Ultraschallsensor konstruiert wurde. Hierbei lässt sich feststellen, dass die Aufnahmen für die zwei horizontal messenden Abstandssensoren nichts optimale Materialausnutzung bieten. Auch hier hätten Materialaussparungen geholfen, die Herstellung wirtschaftlicher zu gestalten. Neben den Ultraschallsensoren wird für das Projekt ein Mikrocontroller benötig. Eine Aufnahme für diesen Mikrocontroller wurde so konstruiert, dass der Anschluss für eine externe Strom-/Spannung außerhalb der Box durch eine Aussparung zugänglich ist. Dabei ist der Port für die Netzwerkverbindung des Arduino zu beachten, welcher weiter raus steht als der Anschluss für die Spannungsversorgung. Die Aufnahme für den Mikrocontroller wurde so konstruiert, dass diese zwei Zentrierungen und zwei vorgesehene Schraubenlöcher aufweist. Bei der Konstruktion des Gehäuses musste des Weiteren darauf geachtet werden, dass die Abstandsmessung sich keinesfalls gegenseitig stören. Zusätzlich zu funktionalen Aspekten wurde auch das Design des Gehäuses auf eine benutzerfreundliche Art ausgerichtet. Dazu wurde ein Schriftzug mit dem Namen des Projekts (Blackbox) und ein Schriftzug an der Öffnung für die Spannungsversorgung mit den Charakteristika der Versorgung konstruiert. Um die korrekte Konstruktion des Gehäuses sicherzustellen, konnte nun eine Baugruppe erstellt werden.
Neben dem Gehäuse wurde zusätzlich ein Halter für den Servo konstruiert. Auch hier ist gut zu sehen, wie Material gespart werden konnte der Servo-Halter ist keine großen Belastung ausgesetzt, soll den Servo aber in Position halten, so dass die Lösungsscheibe korrekt gedreht werden kann.
Des Weiteren musste eine Lösungsscheibe konstruiert werden, welche anschließend den Code sichtbar macht. Diese wurde in ihrer Konstruktion an einen Aufsatz für den Servo angepasst.
Wesentlicher Teil des Rätsels sind die verschiebbaren Stäbe. Diese bestehen aus zwei Teilen, damit sie in das Gehäuse eingebaut werden können. Die zwei Teile können durch eine Schraube Verbindung fixiert werden.
Ähnlich verhält es sich mit der drehbaren Scheibe. Auch diese besteht aus zwei Teilen, so dass sie sich in den Deckel einfügen lässt. Verbunden werden auch diese Teile durch eine Schraube Verbindung.
Der Deckel wurde so konstruiert, dass er gegen verrutschen gesichert ist und zusätzlich mit vier Schrauben an den Ecken verschraubt wird. Außerdem wurde eine kreisrunde Öffnung für die drehbare Scheibe vorgesehen.
Nach der Konstruktion der zu drucken Teile wurden diese als .STL-Datei an Herrn Ebmeyer geschickt, welcher sich um den Druck der Teile gekümmert hat. An dieser Stelle sei daher auch ein Dank an Herrn Ebmeyer gerichtet.
Nach dem Druck der Bauteile konnten diese nun nachbearbeitet und gefügt werden. Dies funktionierte bei den selbst gedruckten Bauteilen gut. Allerdings war ein intensives nacharbeiten der Aufnahmen für die Sensorik und Aktorik von Nöten.
Tatsächlicher Druck des Gehäuses:
Die Schnittstelle zwischen der Hardware und der Software bildet die Verdrahtung, welche in diesem Fall durch eine Lochplatine realisiert werden soll. Die Verdrahtung der verwendeten Sensoren und des Aktuators über den Mikrocontroller ist eine Verdrahtung einfacher Natur, wodurch das entwerfen und fertigen einer Leiterplatte nicht notwendig ist. Es lässt sich eine robuste Verbindung kostengünstig und flexibel durch die Verwendung einer Lochplatine herstellen.
Software:
Ergebnis
Zusammenfassung
Lessons Learned
Projektunterlagen
Projektplan
Projektdurchführung
YouTube Video
N/A
Weblinks
[1] https://www.reichelt.de/de/de/shop/produkt/arduino_uno_rev_3_smd-variante_atmega328_usb-119045?nbc=1&trstct=pos_0 (letzter Aufruf: 02.01.2026)
[2] https://asset.conrad.com/media10/add/160267/c1/-/de/001274216DS01/datenblatt-1274216-joy-it-sen-us01-linker-kit-erweiterungs-platine-1-st.pdf (letzter Aufruf: 02.01.2026)
[3] https://www.conrad.de/de/p/waveshare-mg996r-servo-motor-4-8-6v-metallgetriebe-9-11kg-cm-drehmoment-180-drehwinkel-865398140.html?insert=YS (letzter Aufruf: 02.01.2026)
[4] https://funduinoshop.com/werkstatt/stromversorgung/netzteile/netzteil-fuer-mikrocontroller-9v-1a (letzter Aufruf: 02.01.2026)
Literatur
→ zurück zur Übersicht: WS 25/26: Escape Game