Drei Zehen für Tamara

In zwei Wochen beginnen im chinesischen Hefei die Weltmeisterschaften im Roboterfußball – auf neuem extra langem Kunstrasen. Bislang schafft darauf aber kaum ein Roboter mehr als drei Schritte, ohne umzufallen. Ein neuer Sensorfuß soll die Spieler stabilisieren und die Bit-Bots zum Sieg führen.

Startup complete. Starting Soft-Motion.“ Robotisch kündigt Tamara an, dass sie einsatzbereit ist. Auf dem Rücken der kleinen Roboter-Dame blinken LEDs. Jetzt bewegt sie den Kamerakopf, dann stützt sie sich mit den Armen auf und drückt sich in die Aufrechte. Los geht’s!

Die ersten Meter, auf dem glatten Rasenteppich, meistert Tamara noch recht sicher. Die Servomotoren surren, Schritt für Schritt kommt sie voran. Doch als sie das neue Weltmeisterschafts-Gras unter den Füßen hat, stockt sie, kommt ins Wanken – und kippt im Zeitlupentempo zur Seite weg. Auf dem neuen Geläuf fällt ihr sogar das Aufstehen schwer, nur mit Mühe und nach mehreren Versuchen kann sie sich wieder aufrichten. Tamara ist sichtlich verwirrt.

Die Szene veranschaulicht, was auf den offenen Deutschen Meisterschaften im Roboterfußball vor ein paar Wochen in Magdeburg abging: nicht viel. Im Großen und Ganzen war es ein einziges großes Hinfallen. Schuld war vor allem der neue langhalmige Kunstrasen. Die Blechfüße standen darauf nicht mehr – wie noch vom alten, teppichähnlichen Rasen gewohnt – komplett plan auf dem Grund, sondern sackten im etwa drei Zentimeter langen Gras leicht ein. Und das reichte aus, um den Schwerpunkt der kleinen Darwin-Roboter aus dem Gleichgewicht zu bringen – sie purzelten wie die Babys bei ihren ersten Gehversuchen.

Erschwerend kam hinzu, dass das Gehen auf dem Kunstrasen nicht überall gleich kompliziert war. Je nachdem in welche Richtung die Roboter marschierten, mussten sie mal mit, mal gegen den Strich antreten. „Gegen die Halmneigung ist das für die Darwins wie eine Bürste und mit ihr wie eine Eisbahn“, sagt Jessika Jobski. Doch der Balanceakt auf dem neuen Grün war mehr als eine mechanische Herausforderung, auch die Bildverarbeitung hatte Probleme: Da die Kunstrasenhalme stark glänzten, spiegelten sie das Hallenlicht. Und das störte die digitalen Kameraaugen der kleinen Kicker: Sie konnten kaum noch Kontraste feststellen.

Klar: Dieses Trauerspiel wollen die Bit-Bots so nicht wieder erleben. Noch während des Turniers in Magdeburg kam den Hamburgern die rettende Idee: Hightech-Schuhwerk, bestückt mit Sensoren, die die Kräfte an drei Punkten messen und die Position an den Rechner weitergeben. Mit dieser Information kann der dann berechnen, wie welcher Servomotor angesteuert werden muss, so, dass der Schwerpunkt der Roboter stets im Gleichgewicht bleibt und der kleine Kerl nicht umkippt. Doch was so einfach beschrieben werden kann, ist ungleich schwerer praktisch umzusetzen.

Bestanden die Füße der Darwins bislang aus einer simplen, ebenen Metallplatte, kommen nun vogelfußähnliche Gebilde zum Einsatz: hinten zwei, vorne eine Zehe. So ein „Dreibein“ hat von der Funktion her durchaus Ähnlichkeit mit dem menschlich Fuß, der ja auch auf drei Punkten Standfestigkeit findet: Hacke, Groß- und Kleinzehenballen. Und genau wie das menschliche Gehirn registriert, welche Kraft auf welchem der drei Punkte lastet, wollen die Hamburger per Sensorik messen, wie stark ihr Roboter bei jedem Schritt welchen der drei Punkte belastet.

Um diese Information zu erhalten, stecken in jedem der drei „Zehen“ Magnetfeldsensoren. Sie messen die Abweichungen von der Nullposition des Dreibeins in drei Dimensionen. Die Werte lassen Schlüsse darüber zu, wie der Körper des Roboters im Raum steht – und zwar im Bruchteil einer Sekunde. Der Prozessor berechnet ständig den Schwerpunkt neu und gibt Befehle an die Servomotoren im Körper. So werden die Positionen von Hüfte, Armen, Beinen und Füßen fortlaufend angepasst, der Roboter schreitet stabil voran und purzelt nicht mehr übers Spielfeld. Soweit jedenfalls die Theorie. „Wir hoffen, dass es funktioniert“, sagt Jessica Jobski.

Tatsächlich ist die Konstruktion aber nur die eine Seite der Herausforderung. Den dreizehigen Fuß hat der 3D-Drucker längst ausgespuckt, die Sensoren sind bestellt, genauso die Platine, die die Daten annimmt und verarbeitet. Was noch fehlt sind die Algorithmen. Da nun neue Informationen hinzukommen, müssen auch die Programme umgeschrieben werden. Schließlich sollen die Daten ja auch verarbeitet und Schlüsse aus ihnen gezogen werden. Und diese Programme müssen noch geschrieben und dann getestet werden. Wieder einmal sitzt den Bit-Bots die Zeit im Nacken – bis zur WM in China ist es nicht mehr lange hin. Die beginnt bereits am 17. Juli. „Das ist relativ wenig Zeit“, bringt es Jessika vornehm zurückhaltend auf den Punkt.

Die Idee mit den drei Auflagepunkten und den Magnetfeldsensoren stammt übrigens nicht von den Bit-Bots, sondern von einem amerikanischen Studenten der Technischen Informatik an der Northeastern University in Boston. Sergio Orlando Castro Gomez hat erst vor kurzem eine Masterarbeit über einen günstigen Drucksensor für Roboterfüße, speziell auf unebenem Untergrund, veröffentlicht. Nur hatte bislang niemand Interesse an seiner Arbeit. Oder besser gesagt: keiner wusste davon. Bis die Bit-Bots beim Googeln auf seine Veröffentlichung mit dem Titel „Sensing with a 3-toe foot for a mini biped robot“ stießen und darin eine mögliche Lösung ihres Problems erkannten. Also riefen sie Sergio an. „Der hat sich riesig gefreut, dass sich einer für seine Arbeit interessiert“, sagt Nils Rokita.

Tatsächlich könnte der Sensorfuß der Schlüssel zum Erfolg sein, glauben die Hamburger. Denn bislang, sagt Nils, seien nur sie an dem Thema dran. Mit „sie“ meint Nils allerdings nicht nur die Bit-Bots allein. Denn die Hamburger haben einen Deal mit dem Team „Bold Hearts“ aus England ausgehandelt. Die Hamburger kümmern sich um die Hardware, die Engländer um die Software. Dann wird getauscht. Blöd nur, dass der Sensorfuß noch nicht ganz fertig ist. „Ohne die Hardware konnten die Engländer bisher noch nicht mit dem Programmieren beginnen“, sagt Nils.

Nun ja, was Zeitdruck angeht sind die Bit-Bots ja alte Haudegen. Und tröstend kommt hinzu: Bislang haben sie ihre Ziele meist erreicht – mit massivem Einsatz von Überstunden und literweise Cola. Wir drücken jedenfalls die Daumen – oder besser gesagt: die Zehen!

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