RoboCup: "Teuer heißt nicht besser"
An der FH Kärnten in Villach wird intensiv am einzigen humanoiden Roboter geschraubt, der dieses Jahr für Österreich am RoboCup in Graz teilnehmen wird. Die "Humanoid Walking Machine" soll mit Kettenantrieben beweisen, dass man auch mit wenig Budget, dafür viel persönlichem Engagement und Enthusiasmus etwas bewegen kann.
Es ist der erste richtig heiße Tag des Jahres, der eigentlich dazu prädestiniert wäre, sich in einem der zahlreichen Kärntner Seen zu erfrischen. Doch Markus Zauner und Benjamin Steinwender verbringen ihre Freizeit lieber in der Werkstatt der FH Kärnten, um dort am humanoiden Fußballroboter "Humanoid Walking Machine" (HWM) zu arbeiten.
"Wir arbeiten gerade daran, die Antriebe für die Gelenke von Zahnriemen auf Ketten umzustellen. Wenn wir das schaffen, sind wir die Einzigen, die dafür Ketten benutzen", erklärt Teamleiter Zauner. Die Studenten erhoffen sich aus dem Umbau, dass der Roboter sich weniger aufschwingt und damit stabiler geht.
"Never change a running System"
Die Zeit drängt, denn Ende Juni startet die Weltmeisterschaft der Fußballroboter in Graz, und HWM ist bis auf sein Grundgerüst zerlegt, um auch noch eine weitere Schwachstelle, die Drucksensoren in den Füßen, modifizieren zu können, damit der Roboter auf dem Fußballteppich nicht ins Stolpern gerät.
Damit sich die Roboter bei der Farberkennung leichter tun, müssen sie zu mindestens 90 Prozent schwarz sein. HWM erkennt seine Umgebung über Helligkeitsunterschiede auf den Bildern, von denen er derzeit zwei pro Sekunde macht. Nach dem Update soll er zehn Bilder pro Sekunde schaffen.
"Grundsätzlich haben wir bisher nur kleinere Sachen geändert, denn es heißt ja: 'Never change a running system'", so Zauner. Da jedoch bei ihrer Konstruktion die Keilriemen bei der Kraftübertragung auch noch zu leicht reißen und alle humanoiden Roboter zu mindestens 90 Prozenz schwarz sein müssen, werde HWM nun umgebaut und erhalte eine Außenverschalung. "Nach dem Umbau wird er nicht mehr wiederzuerkennen sein."
Ideen für Änderungen gibt es zwar grundsätzlich viele, doch die meisten davon sind sehr kostspielig: Ein Sensor, den die Studenten, die gerade ihren Master-Abschluss an der FH machen, gerne einbauen würden, kostet um die 10.000 Euro. "Davon bräuchten wir aber zwei", präzisiert Zauner.
In Summe nutzt der Roboter derzeit rund 35 Sensoren, unter anderem Kraftmesssensoren an den Beinen, die prüfen, ob sich der Roboter zu weit nach vorne oder nach hinten neigt. Auf jedem Motor sitzt ein Inkrementalencoder, der dessen Bewegung misst, am Rumpf sitzen Positions- und Lagesensoren und die Kamera.
"10.000 Euro sind schnell ausgegeben"
Mit dem Projektbudget von 2.000 Euro sind diese Sensoren nicht finanzierbar, und auch sonst sieht es bei den Sponsorengeldern derzeit schlecht aus, berichtet Projektkoordinator und FH-Professor Wolfgang Werth: "Als wir den ersten Prototyp von 2005 auf 2006 gebaut haben, war es noch relativ einfach, 7.000 Euro in Form von Sachspenden aufzutreiben. Bargeld, um einen Studenten für seine Arbeit zu bezahlen, ist deutlich schwieriger zu organisieren."
Grundsätzlich seien die Firmen zwar schon an Kooperationen interessiert, aber das Geld sei derzeit eben knapp. Gerade die Reisen zu den Wettbewerben seien besonders teuer, wie etwa 2007 zum RoboCup nach Atlanta: "10.000 Euro sind da schnell ausgegeben." Daher werde das Team aller Voraussicht nach nächstes Jahr auch nicht zum RoboCup in Singapur fahren. Schon letztes Jahr musste das Teams aus Zeit- und Geldmangel beim RoboCup in China passen.
Wie aus Mangel eine Tugend wird
Der Mangel an Geld wird mit Grips und der von den Studenten und Werth investierten Zeit ausgeglichen: "Viele der teuren Sensoren können auch durch billigere Komponenten ersetzt werden: Wir nutzen für die Berechnung des Gleichgewichts Gyrosensoren, die pro Stück 50 Euro kosten. Man muss aber die Daten verarbeiten und selber nachdenken, wie man sie am besten nutzen kann. Das Ganze gibt es auch fix und fertig, kostet dann aber 20.000 Euro und wird in Flugzeugen eingesetzt", erzählt Werth.
"Alle kämpfen mit denselben Problemen"
Selbst wenn man, wie manche der teilnehmenden Teams, zwischen 100.000 und 200.000 Euro in die Hardware und die Sensoren investiere, bedeute das nicht unbedingt, dass der Roboter deswegen auch besser funktioniere: "Man verlässt sich dann viel schneller darauf, dass alles funktioniert, und überlegt nicht weiter. Mit billigen Komponenten muss man sich über die Probleme Gedanken mache und kommt mitunter auf ganz neue und interessante Lösungansätze. Im Prinzip kämpfen alle Teams, egal wie viel Geld investiert wurde, mit denselben Problemen, und im Vergleich waren wir zuletzt in Atlanta trotz unseres kleinen Budgets auch nicht so viel schlechter", so Werth.
Vorbereitung auf die Arbeitswelt
Zauner und Steinwender sehen das geringe Budget ebenfalls als Herausforderung, wenn auch mitunter Frust aufkeimt: "Wenn man die anderen Teams sieht, die oft vier, fünf Roboter in Leichtbauweise mitbringen, die beim Hinfallen auch weniger leicht kaputt gehen, dann ist das manchmal schon frustrierend. Wir haben nur einen Roboter, und wenn er umfällt und dabei auf einen Motor fällt, dann kann einiges kaputt gehen. Unserem Roboter sieht man dafür an, dass er von Studenten selbst gebaut wurde, er ist in Atlanta deswegen auch am häufigsten fotografiert worden."
Im Prinzip sei der Umgang mit dem Mangel eine gute Vorbereitung auf die spätere Arbeitswelt, wo man auch nicht immer mit den neuesten Maschinen und der aktuellsten Hardware arbeiten könne: "Man versucht einfach, das Beste daraus zu machen." Werth sieht die Einschränkungen wie die Studenten recht pragmatisch und ebenfalls als Herausforderung: "Innovation entsteht, wenn man nicht mehr weiterweiß."
Grundsätzlich wird in der Humanoidenliga, die sich in Kid-Size und Teen-Size aufteilt, Elfmeterschießen gespielt, dazu kommen noch einige technische Bewerbe. Auch diese Roboter müssen sich auf dem Spiefeld autonom zurechtfinden und entscheiden.
Möglichst viele Bewerbe als Ziel
Als Ziel haben sich die Studenten die Teilnahme an mindestens drei Bewerben gesteckt, bei einigen müssen sie passen, wie etwa jenem, wo der Roboter einen Ball außerhalb des Spielfelds finden, in die Hand nehmen und zurück aufs Spielfeld tragen muss. Die Hände des Roboters sind derzeit nur Attrappe, da beim Bau der Grundkonstruktion nicht geplant war, dass der Roboter überhaupt am RoboCup teilnimmt.
Dafür haben die insgesamt sechs am Projekt beteiligten Studenten einen neuen Kopf gebaut, der sich mittels zweier Servomotoren um 180 Grad drehen kann, statt wie vorher fix montiert zu sein. Nun muss sich der Roboter nicht mehr komplett umdrehen, um den Ball zu finden, und erspart sich so Zeit. Weiters hat HWM seit Atlanta neue Bewegungen dazugelernt, die allerdings erst getestet werden können, wenn er wieder zusammengebaut ist. "Unser Roboter kann nun Kurven gehen, damit erspart man sich einen Schritt, und grundsätzlich ist er auch schneller geworden", erklärt Steinwender, der für die Software-Programmierung alleine zuständig ist.
Einschränkungen als Herausforderung
Die Programmierung sei nicht ganz einfach, erzählt Steinwender: Der Roboter nutzt das Echtzeit-Betriebssystem INtime von der Firma TenAsys, das Abläufe zeitlich genau steuern kann, aber nicht alle benötigten Komponenten unterstützt. So wird für die Datenübertragung ein Access-Point, der über einen Ethernet-Anschluss angeschlossen wird, am Roboter befestigt, da das rudimentäre Betriebssystem andere technische Möglichkeiten nicht erlaubt. Für die Bildverarbeitung gibt es ein von der Firma National Instruments gesponsertes, 4.500 Euro teures Zusatzmodul, da die Rechenleistung des Pentium-kompatiblen Prozessors dafür nicht ausreicht. Ein stärkerer Prozessor wäre zwar möglich, aber auch hier bremsen wieder die Kosten die realisierbaren Möglichkeiten.
Die künftige Task-Force
Nach dem heurigen RoboCup werden Zauner und Steinwender das Projekt voraussichtlich abgeben und ihrerseits als Task-Force zur Verfügung stehen, wie es bereits zwei ehemalige Studenten aus dem ersten Projekt derzeit praktizieren. Werth überlegt, das Projekt überhaupt ganz neu aufzusetzen und je nach verfügbarem Budget, Motivation und Ehrgeiz des nächsten Studentenjahrgangs einen komplett neuen Roboter zu bauen. "Der erste Roboter könnte dann als Demonstrations- und Forschungsobjekt dienen, wenn wir ihn nicht zerlegen müssen, weil wir die Teile brauchen."
Werth ist besonders stolz darauf, dass die bisher drei mit dem Roboter beschäftigten Studentenprojekte es geschafft haben, mit einem geringem Budget einen Roboter zu bauen, der richtig gehen kann und auch geregelte Gelenke hat. Zauner und Steinwender freut besonders, dass sie den einzigen humanoiden Roboter aus Österreich mitgebaut haben, der am RoboCup teilnehmen wird - und auf ein Wiedersehen mit den Kollegen und Bekannten aus Atlanta: "Ich hoffe, dass Graz wieder so positive Effekte auf die Entwicklung wie Atlanta hat", meint Zauner.
(futurezone/Nadja Igler)