In Trippelschritten zum Sieg

NimbRo trippelt ein wenig nach rechts, setzt vorsichtig einen Fuß neben den anderen, nimmt etwas Anlauf, holt aus und Tor! Der Gegner hat keine Chance. Anfang August  holte der erst jüngst entwickelte Roboter der Universität Bonn in Japan mit großem Vorsprung von 11 zu 1 Toren den Sieg beim Robot Soccer World Cup (RoboCup)2017 in der Adult-Size-Klasse, in der die Maschinen 1:1 gegeneinander antreten.

„Es ist ein richtig gutes Gefühl, wenn man so viel Arbeit investiert hat. Und man dann auf’s Feld geht, den Roboter einschaltet und der macht, was er soll“, erzähltPhilipp Allgeuer, Doktorand der Abteilung „Autonome Intelligente Systeme und Technische Informatik“ (AIS) im Fachgebiet Informatik der Universität Bonn und einer der Väter von NimbRo. Dass der humanoide Roboter mit vollem Namen „NimbRo-OP2“ so haushoch beim RoboCup in der Adult-Size-Klasse gewinnen würde, war eine Überraschung – denn er ist eine Neuentwicklung des Teamsum Allgeuer. Es war auch das erste Mal überhaupt, dass in dieser Klasse die Roboter mit einer Größe von über 1,30 Meter auf dem Spielfeld gegeneinander antraten.

Der 135 Zentimeter große NimbRo machte nicht nur auf dem Platz eine gute Figur

Für den Gesamtsieg musste der große Roboter auch einige technische Prüfungen absolvieren, zum Beispiel die „Push Recovery“. Dabei tritt der Prüfling auf der Stelle, während eine Art große, schwere Flasche gegen ihn geschwungen wird und so versucht, den Roboter aus dem Gleichgewicht zu bringen. „Dann musste er mit Ausfallschritten oder auf andere Art aufrecht bleiben und den Schlag ausgleichen“, erklärt Allgeuer. NimbRo meisterte nicht nur diese Herausforderung vorbildlich, sondern bestand auch alle weiteren technischen Prüfungen.

NimbRo fällt  vor allem durch seine „Außenhaut“ auf. Der Körper des Roboters entstand in einem 3D-Druckverfahren. Der heiß durch eine Düse gepresste und gezielt in Form gebrachte Kunststoff wurde so stabil, dass die Bonner auf ein innenliegendes Gerüst verzichten konnten. Der Körper dient - ähnlich wie bei Insekten - als Außenskelett.

Für die Bewegung des Roboters kommen spezielle Motoren zum Einsatz, die sogenannten Servo-Motoren oder kurz Servos. Die Besonderheit: Diese Motoren drehen nicht nur eine Achse, sondern messen gleichzeitig auch die Position derselben, so dass hochpräzise Bewegungen möglich sind. In NimbRo setzen die Bonner 32 dieser Servos ein: „Der Grundfür die hohe Anzahl ist, “ erklärt Philipp Allgeuer, „dass in vielen Gelenken mehrere Servos parallel geschaltet sind, sodass man in diesen Gelenken mehr Kraft hat.“ Das ist vor allem in den Kniegelenken wichtig, die die größte Last tragen müssen. NimbRo bringt immerhin 17,5 Kilogramm auf die Waage. Die Kniegelenke waren nicht nur für die Bonner eine Herausforderung bei der Größe des Roboters. Die Kontrahenten im Finale von der Hochschule Offenburg statteten ihren über 1,70 Meter großen Roboter mit ganz besonderen Gelenken aus. Diese können, ähnlich wie der Mensch, „schwitzen“. Dabei werden kleine Mengen Flüssigkeit abgegeben, die durch Verdunstung der Umgebung Energie entziehen und so die „Knie“ samt integrierter Technik kühlen.

Damit NimbRo überhaupt weiß, wo er ist und in welcher Lage er und der Ball sich befinden, steckt eine Menge Sensor-Technik unter der Kunststoffhaut. Neben Sensoren, die alle drei Achsen des Raumes erfassen, messen Beschleunigungssensoren und Drehratenmesser die Beschleunigungskräfte. Vereinfacht gesagt, sie messen, wie der Roboter sich gerade bewegt. Für die Orientierung und zur Erfassung des Fußballs nutzen die Forscher der Uni Bonn eine Kamera, die sich hinter dem rechten Auge von NimbRo verbirgt. Damit können sie dann zwar kein stereoskopisches Bild erzeugen, aber dennoch nach eigenen Aussagen eine sehr gute Erkennung des Platzes, des Balls und der Entfernungen realisieren, so Allgeuer: „Es ist ein großer Aufwand, die Bilder aus zwei Kameras zu verarbeiten.“

Die Software für den neuen Roboter war für das Team aus Bonn dann keine große Herausforderung mehr

Man baute auf Bewährtes auf. Denn das von Zeit zu Zeit wechselnde Hochschulteam um Professor Sven Behnke ist bereits seit mehr als einem Jahrzehnt im Roboter-Fußball aktiv und hat über die Jahre eine zuverlässige GNU/Linux-basierte Software-Plattform mit einigen selbstgeschriebenen Komponenten entwickelt. „Ein paar Anpassungen mussten wir trotzdem noch vornehmen, aber da ging es mehr um die Hardware“, erklärt Philipp Allgeuer.

Gezielt eingesetzte Komponenten, 3D-Druck und große Erfahrung – so hielten die Forscher die Kosten des Roboters im Rahmen. „Eigentlich ist es eine ziemlich simple Plattform. Das hat uns ermöglicht, den Roboter vergleichsweise günstig zu bauen, “ beschreibt Philipp Allgeuer einen der Vorzüge des neuen Roboter-Designs. Er habe ein paar zehntausend Euro gekostet. Das sei im Vergleich günstig, wenn man die anderen Kontrahenten sieht, die bis zu einer Million Euro gekostet haben.

Die Erfahrungen und Erkenntnisse aus der Fußball-Roboter-Entwicklung dienen vor allem der Weiterentwicklung der digitalen Sportler und helfen anderen Robotik-Projekten an der Bonner Hochschule. Außerdem würde die Entwicklung  humanoider Roboter generell vorangetrieben, wie auch die Entwicklung neuronaler Netzwerke, die in NimbRo ebenfalls genutzt werden. Grundsätzlich brächten die Erkenntnisse vor allem die akademische Seite voran, so Allgeuer. Aber auch andere Teams und andere Roboter-Entwickler können profitieren. So ist die Software, die NimbRo und seine Brüder antreibt, als Open-Source-Software frei verfügbar und auch die Pläne für die Hardware sollen veröffentlicht werden.

Die WM liegt jetzt hinter den Forschern. Doch für das Robo-Soccer-Team gilt das Gleiche, wie in der Bundesliga: Nach dem Spiel ist vor dem Spiel. Und so gehen die Arbeiten im AIS der Uni Bonn weiter. Man habe Pläne für einen neuen Roboter mit anderen Servos, erklärt Phillipp Allgeuer: „Aber eigentlich hat NimbRo seine Sache so gut gemacht, dass er im kommenden Jahr erneut antreten soll.“

Mehr Informationen:

NimbRo-OP2 bei der RoboCup Weltmeisterschaft 2017 (Bildergalerie, Uni Bonn)