ITAndroids: das humanoide Fußball-Roboter-Team

Judy Warner: Wie lange gibt es das ITAndroids-Team schon und wie hat alles begonnen?

Arthur Azevedo: Das ITAndroids-Team wurde 2005 von Jackson Matsura gegründet. Dieser war damals im Master-Studiengang, heute ist er Professor an der Elektronik-Fakultät. Drei weitere Studenten stießen zum Team dazu, zwei aus dem Bachelor-Studium und ein Master-Student. Sie gewannen im selben Jahr die 2D-Fußballsimulation Latin America RoboCup (LARC). Sie wurden schnell zu einem der besten Teams in Lateinamerika und nahmen von 2006 bis 2008 am RoboCup teil, bevor sich das Team auflöste.

2011 wurde das ITAndroids-Team wieder ins Leben gerufen, und es konnte 2012 an der 2D-Fußballsimulation des RoboCup teilnehmen. Sie belegten den 10. Platz. Im selben Jahr gewann das Team drei Trophäen des LARC: Platz 1 in der 2D-Fußballsimulation, Platz 1 in der 3D-Fußballsimulation und Platz 3 im Rennen für humanoide Roboter (HRR). 2012 begann das Team auch, neue Mitglieder zu rekrutieren und auszubilden, und es ist seitdem schnell gewachsen. ITAndroids hat mittlerweile viermal die 2D-Fußballsimulation des LARC gewonnen.

2012 begann das Team mit dem Hardwaredesign in der Very Small Size League, und 2017 haben wir uns für die KidSize Humanoid-Liga des RoboCup 2017 qualifiziert. Im selben Jahr gewannen wir auch den 1. und 2. Platz der LARC HRR gegen einen kommerziellen Roboter (DARWIN-OP2) und einen in unserem Unternehmen gebauten Roboter namens Chape. Wir haben außerdem mit dem Design eines Roboters begonnen, mit dem wir in der Small Size-Liga antreten können, und wollen zur LARC 2018 ein vollständiges Team zusammenstellen.

Warner: Das klingt nach einer langen und sehr erfolgreichen Geschichte! Wie viele Studierende gehören insgesamt zu Ihrem Team, und wie verteilen sie sich auf die Unterteams Elektronik und PCB-Design?

Azevedo: Unser Team umfasst insgesamt etwa 60 Studierende, aufgeteilt auf die verschiedenen Roboterprojekte. Für die drei Gruppen von physischen Robotern (Very Small, Small und Humanoid) haben wir drei Gruppen von Elektronikentwicklern, die sich ganz dem Design ihres eigenen Roboters widmen. Die Humanoid-Elektronikdesign-Gruppe zählt vier Mitglieder. Es handelt sich um Studierende im ersten, zweiten und vierten Jahr, die Hilfe von einem erfahrenen Mentor erhalten. Die Gruppe bearbeitet Projekte wie das Erstellen von Spezifikationsanforderungen, Design, Test und die Herstellung von Leiterplatten und unterstützt den Zusammenbau und die Integration des Roboters.

Warner: Können Sie uns mehr darüber sagen, welche Arten von Robotern Sie bauen?

Azevedo: Das ITAndroids-Team nimmt in fünf Wettbewerbskategorien teil, von denen zwei simuliert und drei real sind.

Soccer Simulation 2D: In dieser Kategorie wird keine Hardware entwickelt, sondern es geht einzig um die Strategie autonomer Roboter in einem Fußballspiel. In den diesjährigen Projekten geht es um ein groß angelegtes Refactoring des Codes, das Beheben von Fehlern, die Verbesserung der Lesbarkeit und die Umstellung auf die Muster des Teams. Außerdem gab es die Umsetzung einer dynamischen Rollenverteilungs-Strategie für die Agenten.

Soccer Simulation 3D: Diese Kategorie knüpft an die Herausforderungen der vorangegangenen Kategorie an und erweitert sie um die Simulation dreidimensionaler humanoider Roboter. Das heißt, dass wir die Bewegungen der Roboter implementieren müssen. Die Projekte in diesem Jahr konzentrierten sich hauptsächlich auf die Optimierung der Parameter für die Bewegungen und die Navigation der Roboter sowie auf die Bündelung von Tools für diese Optimierungen. Zusätzlich haben wir an einer effizienten Methode zum Testen der Roboter gearbeitet.

Humanoid: Diese Kategorie umfasst die Entwicklung eines echten, humanoiden Roboters und die Umsetzung aller Techniken aus der Fußball-Simulation 3D in einem echten Roboter.

Dank unseres humanoiden Modells (das wir nur liebevoll Chape nennen und das auf einem im letzten Jahr importierten Darwin-OP-Roboter basiert) konnte unser Team seine Hardware-Kenntnisse deutlich erweitern. Das Hardware-Projekt war sehr umfangreich, sowohl auf der mechanischen Seite, mit der Bearbeitung und dem Druck fast aller Roboter, als auch bei der elektrischen Hardware, die mit Altium Designer^® entworfen wurde. Das Software-Entwicklungsteam hat ebenfalls sehr hart gearbeitet, um viele Verbesserungen an den Bewegungen und der Sicht des Roboters vorzunehmen.

Die Roboter wurden alle innerhalb eines Semesters fertiggestellt, damit das Team am RoboCup-Wettbewerb im Juni teilnehmen konnte.

Very Small Size (VSS): Besteht aus einem Team mit drei verschiedenen würfelförmigen Robotern, die ein Fußballspiel austragen. Da das Team neue Roboter mit verbesserter Platine und Motoren gebaut hat, wurde Altium für das Hardware-Design verwendet. Die Software half bei der Strategie des Teams, und wir erstellten einen Simulator, der bei den Tests half.

Small Size: Diese Kategorie ist eine Art Erweiterung der vorherigen Kategorie – mit einem größeren Team und Robotern mit einer komplexeren mechanischen Struktur. Als neue Kategorie befindet sich dieses Projekt seit Jahresbeginn in der Entwicklungsphase und wir haben unsere Fähigkeiten im Bereich Hardware dadurch noch einmal deutlich gesteigert. Auch hier hat Altium Designer eine wichtige Rolle in unserem Projekt gespielt. Wir mussten eine eigene Software entwickeln, was eine große Herausforderung war.

Warner: Sie nehmen an RoboCup-Wettbewerben teil. Können Sie unseren Lesern von Ihren Erfahrungen bei diesen Veranstaltungen berichten?

Azevedo: An den RoboCups teilzunehmen war eine tolle Möglichkeit, weil wir unsere Designs so „im Feld“ erleben und auf Funktion und Leistung testen konnten. Auch die Interaktion mit Teams aus der ganzen Welt war sehr aufregend. Es war insgesamt eine sehr umfassende Lern- und Lehrerfahrung. Jedes Gespräch mit Teammitgliedern von Universitäten aus der ganzen Welt verbessert die eigenen Fähigkeiten dramatisch. Der RoboCup lässt das Team reifen, verleiht dem System Robustheit und stärkt das Networking.

Warner: Das klingt nach sehr spannenden und unvergesslichen Momenten. Welche Arten von Leiterplatten sind notwendig, um Ihre Roboter anzutreiben, und wo haben Sie gelernt, diese zu entwerfen?

Azevedo: Der humanoide Roboter Chape sollte von Anfang an modular und leicht zu warten sein. Die elektronische Architektur erfordert verschiedene Arten von Leiterplatten, die sich zahlreiche Aufgaben teilen: Energieaufbereitung und -verteilung, Sensorik und Aktorsteuerung, Datenkommunikation auf niedrigster Ebene, Zustandsüberwachung, Nutzerfreundlichkeit, Fehlerbehebung und Wartung.

Die Architektur besteht aus zwei Leiterplatten: Das PWB ist der Energiemanager, eine intelligente Platine mit einem speziellen Algorithmus zur Energiekontrolle. Der geregelte Spannungsbus wird im PWB erzeugt. Der ungeregelte Spannungsbus mit hoher Leistung wird durch die Verwaltung von Stromquellen wie einer Batterie und einer externen Stromversorgung erzeugt.

Das CMB ist das Herzstück der unteren physikalischen Schicht. Es dient der Steuerung der Überwachungs-Boards, die die Servomotoren ansteuern, die Daten des eingebetteten Inertialmoduls interpretieren, Sicherheitsmaßnahmen auf Grundlage der internen Temperatur initiieren, den Kühllüfter, die LEDs, einen Buzzer für Hinweise steuern und den ungeregelten Hochleistungs-Spannungsbus verteilen. Die Kommunikation mit dem High-Processing-Hauptrechner besorgt ein NUC i5 von Intel. Durch diesen Datenaustausch wird das Gehen und Laufen und das Schießen des Balls möglich. Die Kommunikation mit dem NUC findet per USB2.0 und durch Impedanzanpassung eines differentiellen Datenpaars statt. Ein I2C-Bus integriert die übrigen Leiterplatten mit LEDS, Buzzer und Tasten, die eine Interaktion mit dem Roboter ermöglichen.

Was das Design der Leiterplatten durch die Teammitglieder angeht, gibt es zu Beginn eine kurze Einführung mit dem Schwerpunkt Elektronikdesign, in der die Grundprinzipien des Designs erläutert werden. Ein älterer Student, dem außerdem ein Ingenieursmentor zur Seite steht, bringt sein Fachwissen in die Gruppe ein. Die Studierenden wenden Zeit dafür auf, sich aus den regelmäßigen Kursstunden, aus der Fakultät und aus dem Internet Wissen anzueignen.

Warner: Erläutern Sie uns doch bitte die Rolle der Mentoren für Ihr Team.

Azevedo: Da das Team fast ausschließlich aus Bachelor-Studierenden besteht, haben wir oft nicht genügend Erfahrung oder Reife, um die Anforderungen des Teams zu erfüllen. In solchen Fällen können wir auf unsere Mentoren zurückgreifen.

Insgesamt haben wir vier Mentoren: Zwei für Elektronik (Miguel Angelo Sampaio und José Roberto Colombo jr.), eine Mentorin für Mechanik (Daniela Vacarini de Faria) und einen beratenden Professor für Software und Steuerung (Marcos Ricardo Omena de Albuquerque Máximo).

Die Elektronikmentoren haben mit den Elektronik-Schaltplänen und PCB-Layouts für Chape und den VSS-Roboter großartige Arbeit geleistet und wertvolles Wissen an die neuen Teammitglieder weitergegeben. Die Mechanikmentorin war unverzichtbar für das Chape-Roboterprojekt, und zwar sowohl im CAD-Projekt als auch in der Herstellung. Ebenso konnte sie dem Small-Size-Ligateam Unterstützung anbieten. Der Professor hat dem Erfolg des Projekts ebenfalls Zeit und Mühe gewidmet. Er unterstützt alle Disziplinen unermüdlich und hat in seiner Doktorarbeit den Geh-Algorithmus der humanoiden Roboter entwickelt. Jedes Jahr bieten die Mentoren Kurse für die Teammitglieder an, um die technische Nachhaltigkeit der Teams zu sichern.

Warner: Woran arbeitet das Team in diesem Studienjahr?

Azevedo: 2017 war für ITAndroids durch bedeutendes Wachstum geprägt. Sowohl in administrativer als auch in technischer Hinsicht gab es für unser Team viel zu tun. Neben der Arbeit der einzelnen Unterteams haben wir an zwei wichtigen Veranstaltungen teilgenommen, dem Internationalen Robocup und dem lateinamerikanische Ableger LARC, bei dem es hauptsächlich um die IEEE Very Small Size (VSS) Modalität geht. Die Arbeit unseres Teams hat in diesen Wettbewerben insgesamt fünf Trophäen eingebracht.

In akademischer Hinsicht ermutigen wir unsere Studierenden stets zu wissenschaftlichen Forschungsarbeiten, woraus sechs veröffentlichte Artikel hervorgegangen sind..

Warner: Herzlichen Glückwunsch, Arthur, zu einem sehr erfolgreichen Jahr und einer leidenschaftlich arbeitenden Gruppe von Studierenden, Professoren und Mentoren, die Ihr Team so erfolgreich gemacht haben! Danke, dass Sie sich die Zeit genommen haben, über die Arbeit und die Erfolge des ITAndroids-Teams zu sprechen.

Arthur: Ich danke Ihnen für die Gelegenheit, von unserem Team berichten zu dürfen.