Chur

Liebe Leserin, lieber Leser Seit mehr als fünf Jahren steht Helveticrobot für Innovation, Teamwork und Zeitgeist. Schüler des Gymnasiums Chur entwickeln im Team autonome Roboter und lösen dabei spannende Probleme aus den Bereichen Mechanik, Elektrotechnik und Informatik. Die Schüler erlernen im Team Helveticrobot die Grundlagen der Technik und sammeln gleichzeitig auch wertvolle Erfahrungen in Teamwork und Projektmanagement. Die Schüler haben so die Möglichkeit, sich bereits während ihrer Ausbildung am Gymnasium auf ein kommendes Studium vorzubereiten. Viele der ehemaligen Schüler im Robotikteam Helveticrobot haben sich für ein technisches Studium in den Bereichen Maschinenbau, Elektrotechnik und Informatik entschieden – die Ingenieure von morgen. Mit ihren selbst entwickelten Robotern machen die Schüler jährlich bei mehreren internationalen Wettbewerben mit. Die erfahrensten Schüler nehmen jeweils im Sommer an der Robotik-Weltmeisterschaft «RoboCup Junior» teil, bei der das Team Helveticrobot im Sommer 2010 den dritten Rang weltweit erreicht hat. Auch in diesem Jahr bereitet sich wieder ein knappes Dutzend Schüler auf die beiden Wettbewerbe «RobotChallenge» und «RoboCup Junior 2011» vor. Um diese beiden Projekte finanzieren zu können und auch weiterhin Schüler für ein Ingenieurstudium zu begeistern, sind wir auf Ihre Unterstützung angewiesen. Wir freuen uns, wenn Sie uns mit einem Gönner- oder Sponsoringbeitrag unterstützen möchten. Freundliche Grüsse Benedikt Köppel Präsident und Gründer

Team Helveticrobot Bündner Kantonsschule Chur Arosastrasse 2 7000 Chur +41 79 475 06 55 [email protected] www.helveticrobot.ch

Mentoring 6000 Ingenieure und mehr als 10 000 Informatiker fehlen der Industrie in der Schweiz. Helveticrobot hat sich zum Ziel gesetzt, diesem Trend entgegenzuwirken. Durch eine gezielte Ausbildung und Mentoring werden Gymnasiasten in diesen Bereichen gefördert und für ein Studium motiviert. Nach dem ersten Erfolg am RoboKing 06 war für erste eigene Roboter und nehmen bereits am die Gründer von Helveticrobot klar: Sie mussten internationalen Wettbewerb «Rob­Olympics» in ihr erarbeitetes Wissen über Robotik weiterge- Rapperswil teil. ben und integrierten deshalb das Team in die Bündner Kantonsschule. Dieser Schritt bildete Rund die Hälfte der Aspiranten schafft den die Basis des späteren Erfolgs. Neue, interes- Sprung ins Nachwuchsteam. An diesem Punkt sierte Schüler stiessen zum Team, wurden in setzt das Mentoring an: Regelmässig geben Studenten aus Maschinendas Thema Robotik bau und Elektrotechnik eingeführt und auf «Dank Jonas’ Einführung ins Einführungen in speweitere Wettbewerbe CAD sind wir jetzt imstan- zifische Themen und vorbereitet. de, digitale 3D-Modelle und coachen die Teams Heute werden im Team beim Bau der Roboter. technische Zeichnungen unHelveticrobot jedes Die Jugendlichen werseres Prototyps zu erstellen. den zum selbstständiJahr rund 10 Schüler mit den Grundlagen Das hilft uns, Planungsfehler gen Arbeiten animiert, können aber auch vom der Robotik vertraut frühzeitig zu erkennen.» Wissen und der Erfahgemacht. Im Verlauf Albert Planta, Mitglied des Nachwuchsteams rung der älteren Teamder ersten vier Monamitglieder profitieren. ten bauen die Schüler

RoboCup – die Weltmeisterschaft Eine Teilnahme bei RoboCup Junior ist für jeden Roboterbauer ein absoluter Höhepunkt. Ein ganzes Jahr lang bereiten sich Schüler aus aller Welt auf das grosse Kräftemessen vor. Nach dem dritten Rang im letzten Jahr streben wir 2011 in Istanbul unseren ersten Weltmeistertitel an. RoboCup und RoboCup Junior

RoboCup ist der weltweit grösste Robotik-Event. Der internationale Wettbewerb wird seit 1997 jährlich von der RoboCup Federation veranstaltet. Ziel ist es, die Forschung in Robotik und künstlicher Intelligenz voranzutreiben. Im Jahre 2050 sollen Fussballteams aus autonomen Robotern gegen menschliche Teams Fussball spielen. Nebst der Soccer League, der Fussball-Liga, wird auch eine Rescue League geführt. In der Rescue Disziplin müssen die Roboter durch ein unbekanntes Gelände navigieren und darin Objekte, zum Beispiel verletzte Personen, erkennen und bergen. RoboCup Junior ist eine Tochterorganisation von RoboCup und veranstaltet Wettbewerbe

für Schüler, die das 20. Lebensjahr noch nicht erreicht haben. Bei RoboCup Junior werden ebenfalls die Disziplinen Soccer und Rescue ausgetragen. RoboCup Junior will Jugendliche für Robotik motivieren und in die Technik einführen.

RoboCup Junior 2011 in Istanbul

In diesem Jahr werden die RoboCup und RoboCup Junior Wettbewerbe von verschiedenen Istanbuler Universitäten gemeinsam organisiert und durchgeführt. Um sich für die Finalspiele in Istanbul qualifizieren zu können, müssen sich die Teams zuerst gegen die jeweilige landesweite Konkurrenz an Qualifikations­turnieren durchsetzen. Wir nehmen bereits zum dritten Mal bei RoboCup Junior teil.

Das Team Die Mitglieder des Weltmeisterschaftsteams sind die erfahrensten der aktiven Roboterbauer bei Helveticrobot und bereiten sich jeweils ein ganzes Jahr lang auf den Wettbewerb vor. Simon Gredig, 17 Jahre alt: Nebst Planung und Bau der Roboter kümmert er sich um Medien- und Sponsorenarbeit. Er hat alle Texte in dieser Mappe verfasst. Später möchte er Maschinenbau studieren. Oliver Kirsch, 18 Jahre alt: Als Chefmechaniker trägt er die Verantwortung für unsere Roboter. Er arbeitet auch bei der Elektronik der Roboter mit. Nach der Schule will er Maschinenbau studieren. Stefan Lippuner, 18 Jahre alt: Er ist zuständig für Elektronik und Programmierung, sorgt also dafür, dass der Roboter seine Aufgabe zuverlässig erfüllt. Er will später Elektrotechnik an der ETH studieren. Michel Makhlouf, 16 Jahre alt: In erster Linie programmiert er die Roboter. Ausserdem hat er für die neue Elektronik des WM-Roboters eine Platine erstellt und ist damit beschäftigt, diese zu bestücken. Unser erklärtes Ziel für die Weltmeisterschaft 2011 ist der Weltmeistertitel. Nach dem doch einigermassen überraschenden dritten Platz im letzten Jahr haben wir gemerkt, dass wir mit der absoluten Weltspitze mithalten können. Indem wir versuchen, unsere Erfahrungen vom letzten Jahr in neue Ideen umzusetzen und gemachte Fehler nicht zu wiederholen, wollen wir einen noch besseren Roboter bauen. Da die Aufgabenstellung sehr ähnlich ist, können wir auf unser bewährtes Navigationskonzept aufbauen. Um noch präziser navigieren zu können, arbeiten wir in diesem Jahr zusätzlich zur Wandfolge mittels Infrarot-Distanzsensoren mit einem Kompass und Touchsensoren vorne und hinten am Roboter.

RoboCup Junior 2010 in Singapur

Der Roboter musste sich in einem zweistöckigen Labyrinth zurechtfinden. Seine Aufgabe war es, das ganze Spielfeld abzufahren und dabei sogenannte «Opfer» in Form von geheizten Stoffpölsterchen aufzuspüren. Das Spielfeld in der Rescue-Kategorie stellte ein Trümmerfeld nach einer Naturkatastrophe wie beispielsweise einem Erdbeben dar und die Stoffpölsterchen verletzte Menschen, die vom Roboter geborgen werden sollten. Das richtige Erkennen der Opfer war jedoch nicht die einzige Herausforderung. Der Übergang von der ersten in die zweite Ebene erfolgte über eine 25° steile Rampe. Während der Fahrt warteten auf den Roboter Schwellen, sogenannte «Speedbumps», die er unbeschadet überfahren musste und Ziegelsteine, denen er ausweichen musste. Ausserdem befanden sich in Sackgassen schwarze Flächen auf dem Spielfeld, auf denen sich der Roboter nicht länger als fünf Sekunden aufhalten durfte. Punkte verteilt wurden für das richtige Erkennen eines Opfers, für das Abfahren des kompletten Spielfeldes und für das problemlose Meistern der Rampe. Für die Weltmeisterschaft in Singapur bauten wir einen kleinen und wendigen Roboter, um schnell durchs Labyrinth manövrieren zu können. Für den Antrieb sorgten zwei kleine Getriebemotoren. Mit Hilfe von Infrarot-Distanzsensoren mass der Roboter stets die Distanz zur Wand und nahm selbständig entsprechende Kurskorrekturen vor. Auch die Wärme ausstrahlenden «Opfer» wurden mit Infrarotsensoren erkannt.

Der Bauplan für den Roboter, mit dem wir in Graz an der RoboCup Junior 2009 Weltmeisterschaft angetreten sind.

Ein selbst konstruierter Neigungssensor meldete dem Roboter, wann er sich auf der Rampe befand. Helligkeitssensoren massen die Reflexionseigenschaft des Bodens und erkannten somit, ob sich der Roboter auf einer schwarzen Fläche befand. An der Weltmeisterschaft in Singapur funktionierte unser Roboter auf Anhieb perfekt. Wir führten das Klassement unserer Kategorie während der ersten beiden Tage souverän an. Erst am letzten Tag, als die Fahrt durch viele zusätzliche Hindernisse erschwert wurde, hatten wir Mühe, den Roboter auf die veränderten Bedingungen einzustellen. Weil unsere Konkurrenten gleichzeitig besser in Fahrt kamen, landeten wir schlussendlich hinter dem japanischen und dem iranischen Team auf dem dritten Platz.

RoboCup Junior 2009 in Graz

Bei unserer ersten Teilnahme an RoboCup Junior Rescue mussten die Roboter autonom einer schwarzen Linie folgen. Dabei galt es, auf

den Boden aufgeklebte silberne und grüne Opfer zu erkennen und gleichzeitig Hindernissen auszuweichen. Direkt nach der erfolgreichen Qualifikation in Wien begannen wir mit den Vorbereitungen für die Weltmeisterschaft in Graz. Der WMRoboter wurde mit Hilfe eines CAD-Modells von Grund auf neu geplant. Die Komponenten wurden mit einer CNC-Fräse hergestellt. Unser Wettbewerbs-Roboter bestand aus zwei Ebenen: Auf der unteren Ebene waren zwei Gleichstrommotoren, mehrere Touchsensoren und ein selbst entwickelter Liniensensor angebracht, auf der oberen Ebene befanden sich die komplette Steuerung, eine LED-Anzeige sowie Distanzsensoren zur Navigation. An unserer ersten Weltmeisterschaft in Graz gehörten wir noch nicht zur absoluten Welt­ spitze. Mit unserem Roboter erreichten wir den weltweit 31. Rang.

Die

Steuerungselektro-

nik besteht aus einem Mit Infrarot-Distanzsen-

Mainboard mit 8 Bit

soren misst der Roboter

Mikrocontroller.

Distanzen zu Hindernissen und orientiert sich auf dem Spielfeld. Ein

Lithium-Polymer-

Akkumulator

versorgt

den Roboter mit Strom. Zwei

Getriebemotoren

mit Aluminium-Rädern treiben den Roboter an.

Ein

Spannungsregler

erzeugt daraus die benötigte Spannung für die Steuerungselektronik.

Mehrere

Reflexkoppler

befinden sich unter dem

Mit den Tastern erkennt

Roboter und dienen der

der Roboter eine erfolgte

Erkennung der Linie und

Kollision und kann darauf

Opfer.

reagieren.

RobotChallenge – die Europameisterschaft Das Nachwuchsteam von Helveticrobot beteiligt sich in diesem Jahr zum ersten Mal an der RobotChallenge in Wien. Für die Europameisterschaft planen und bauen die sechs Schüler selbstständig einen Roboter und wollen damit einen Spitzenplatz erreichen. Wettbewerb

anderen Blau zugeteilt wird – gegeneinander an. Die RobotChallenge ist die Europameisterschaft Auf dem fast 8 Quadratmeter grossen Spielfeld und zugleich einer der weltweit grössten Wettbe- sind rote und blaue Scheiben in der Grösse von werbe für selbst gebaute, autonome und mobile Teelichtern (Pucks) verteilt. Ziel ist es, möglichst Roboter. Über 500 Roboter aus der ganzen Welt schnell alle Pucks der eigenen Farbe einzusamwerden zur nächsten RobotChallenge im März meln und zur eigenen, farblich gekennzeichne2011 in Wien erwartet. Die RobotChallenge wird ten Homebase zu bringen. Die Navigation auf seit 2004 von der INNOC, der Österreichischen dem Spielfeld sowie das Entdecken, Einsammeln Gesellschaft für innovative Computerwissen- und Sortieren der Pucks erfordert ein besondeschaften, organisiert und durchgeführt. Ziel des res Zusammenspiel von Sensorik, Mechanik und Wettbewerbs ist es, junge Talente für den kre- künstlicher Intelligenz. ativen Umgang mit innovativen Technologien sowie Forschung und Wissenschaft im Allge- Vorgehen meinen zu begeistern. Zuerst erarbeiteten wir ein Konzept, wie unser Roboter aussehen und wie er die Aufgabe lösen Aufgabenstellung soll. Daraus erstellten wir ein 3D-CAD-Modell In der Disziplin Puck Collect treten je zwei Robo- am Computer, dank dessen Hilfe wir einige ter – von denen dem einem die Farbe Rot, dem Planungsfehler entdeckten. Anschliessend

bauten wir einen Prototyp aus Holz, mit dem wir momentan unser Navigationskonzept testen. Damit wir unter realistischen Wettbewerbsbedingungen testen können, bauten wir mit Hilfe eines Schreiners ein professionelles Spielfeld. Parallel zur Testphase mit dem Prototypen läuft die Entwicklung des Wettbewerbsroboters. Dabei fliessen laufend gewonnene Erkenntnisse aus der Testphase ein. Bei der Entwicklung unseres Roboters stehen uns die Mitglieder des WM-Teams bei und helfen uns mit wertvollen Tipps. Von den ETH-Studenten Jonas Müller und Benedikt Köppel erhielten wir ausserdem mehrere Einführungen in das Erstellen von CAD-Modellen und die Funktionsweise der verwendeten Elektronikbauteile.

Umsetzung

Bei unserem Roboter nutzen wir die in den Regeln festgehaltene Maximalgrösse von 50 auf 50 Zentimeter voll aus. So können wir das Spielfeld in wenigen Bahnen abfahren. Wir verwenden grösstenteils die Elektronik des letztjährigen Weltmeisterschaftsroboters und können so auf bewährte Technik zurückgreifen. Mit Hilfe von Ultraschallsensoren auf allen Seiten erkennt unser Roboter nahe Wände und sich nähernde Gegner. Touchsensoren, die auf Berührung reagieren, helfen dem Roboter, sich an der Wand auszurichten. Der Roboter besitzt vorne eine trichterförmige Öffnung, die Pucks während der Fahrt automatisch nach hinten leitet. In der Mitte des Roboters erkennt ein Farbsensor die Farbe des Pucks; ein Drehmechanismus befördert ihn in den passenden Speicher. Nachdem der Roboter das ganze Spielfeld abgefahren hat, platziert er eigene Pucks auf seiner Homebase und lässt die gegnerischen Pucks liegen.

Wettbewerb

Wir reisen im März 2011 gemeinsam mit unseren Betreuern nach Wien, um dort an der Europameisterschaft teilzunehmen. Weil unser Roboter schon in der Prototyp-Phase zuverlässig funktioniert, rechnen wir mit einem guten Resultat in Wien. Um Reise und Unterkunft finanzieren zu können, sind wir auf Sponsoren angewiesen.

Das Team Die Mitglieder des Nachwuchsteams sind seit 2010 bei Helveticrobot dabei. Als Aspiranten nahmen sie gemeinsam mit sechs weiteren Kantonsschülern an den RobOlympics teil. Anschliessend wurden sie aufgrund ihrer Leistungen für das Nachwuchsteam selektiert. Zurzeit bereiten sie sich auf die Europameisterschaft in Wien vor, an der sie im März 2011 einen Spitzenplatz erreichen möchten. Michael Baumann, 16 Jahre alt: Er beschäftigt sich mit der Programmierung der Roboter und sieht darin eine spannende Herausforderung. Sonst programmiert er gerne für Windows und Linux. Gian Jörimann, 15 Jahre alt: Zurzeit arbeitet er an der Mechanik der Roboter, möchte später aber vor allem Elektronik machen. Er wird nach der Schule ein Ingenieurstudium beginnen. Albert Planta, 17 Jahre alt: Er kümmert sich um Planung und Bau der Roboter. Nach der Schule möchte er Maschinenbau an der ETH studieren, wofür er im Team Erfahrungen sammelt. Marco Ruggia, 16 Jahre alt: Er hat in der Vergangenheit schon mehrere Programmiersprachen gelernt und interessiert sich nebst der Programmierung auch für den Bau von Robotern. Florian Schäfer, 15 Jahre alt: Er kümmert sich um die Strategie des Roboters und deren Umsetzung. Das Programmieren hat er mit Lego NXT während der Vorbereitung auf RobOlympics erlernt. Philipp Täschler, 17 Jahre alt: Er arbeitet an Planung und Bau der Roboter. Von seinem Engagement im Team erhofft er sich, wertvolle Erfahrungen für sein späteres Ingenieurstudium sammeln zu können.

RoboKing – wie alles begann Im Jahr 2005 gründeten Benedikt Köppel und Jonas Müller das Robotikteam Helveticrobot. Nach ersten Teilnahmen bei RoboKing in Deutschland konnten sie das Team als wissenschaftliche Projektgruppe in die Bündner Kantonsschule integrieren. Im Jahr 2005 stiessen die zwei Kantonsschüler in einem Technologiemagazin auf einen Artikel über Robotik und waren sofort von der Technik fasziniert. Die zwei gründeten kurzerhand in einer Garage das Team Helveticrobot und nahmen somit eine Vorreiterrolle in der Schweiz ein. Zu Beginn waren sie komplett unabhängig von der Bündner Kantonsschule, finanzierten ihre Projekte grösstenteils privat und wurden nur vom Verein Ehemaliger der Bündner Kantonsschule finanziell unterstützt. In der Freizeit eigneten sie sich alles technische Know-how an und bereiteten sich auf den ersten RoboKing Wettbewerb vor. Bei der ersten Teilnahme bei RoboKing erreichten sie gleich den 7. von 23 Rängen. Das motivierte sie weiterzumachen. Bald realisierten sie auch, dass sie ihr Wissen und ihre Erfahrung an jüngere Kantonsschüler weitergeben können. Aus diesem Grund integrierten sie das Robotikteam Helveticrobot als Projektgruppe in die Bündner Kantonsschule.

RoboKing

Der Wettbewerb RoboKing wurde bis 2008 jährlich von der Technischen Universität Chemnitz für Schüler aus Deutschland und der Schweiz organisiert. Die Philosophie der Technischen Universität Chemnitz war es, das Technikinteresse der Jugendlichen zu wecken und zu verstärken. RoboKing sollte helfen, dem Ingenieurmangel in Deutschland und in ganz Europa entgegenzuwirken. Die Teilnehmer hatten ungefähr acht Monate Zeit, um jeweils eine neue Aufgabe zu lösen. Die technischen Vorgaben wurden minimal gehalten, sodass bei RoboKing die Roboter sehr frei konstruiert werden konnten. Nach rund fünf Monaten wurden die Roboter ein erstes Mal verglichen. Bei dieser Vorausscheidung mussten sich die Teilnehmer für die Finalrunde qualifizieren. Die ersten 16 Teams durften an den Finalspielen teilnehmen, die jeweils an der Messe für Informationstechnik CeBIT in Hannover stattfanden.

Das Team Helveticrobot hat in den Jahren 2006 bis 2008 drei Mal an den RoboKing Wettbewerben teilgenommen. Seit 2008 wird RoboKing nicht mehr veranstaltet.

RoboKing 06

Helveticrobot war das einzige Schweizer Team, das an RoboKing 06 teilnahm. Unter dem Motto «Steinbruch» lautete die Aufgabe, einen Roboter zu konstruieren, der selbstständig den Weg durch einen Hindernisparcours findet. Der Roboter musste am Start Steine abholen und diese dann durch den Parcours transportieren. Zuerst galt es, eine Brücke zwischen den zwei Spielfeldhälften sicher zu überqueren. Danach musste der Roboter einen Weg zwischen Flaschen hindurch suchen, um am Schluss den transportierten Stein im Ziel abzulegen.

Mit zwei Ventilatoren konnte der Roboter für die RoboKing 07 Qualifikation innert kürzester Zeit alle Tischtennisbälle zum Gegner blasen. Mit diesem Konzept haben wir den ersten Rang an der Qualifikationsrunde in

An der Qualifikationsrunde traten wir alleine Chemnitz erreicht. im Kampf gegen die Uhr an und sollten so viele Steine wie möglich transportieren. Unsere harte In der Vorbereitungszeit der QualifikationsVorbereitung wurde an der Qualifikationsrunde runde entstand die Idee, die Bälle mit Hilfe eines in Erfurt mit dem 7. Platz von 23 Teams belohnt. Ventilators zum Gegner zu blasen. Mit zwei VenWir qualifizierten uns damit für das Finale an tilatoren konnte der Roboter jeden Ball auf die der CeBIT in Hannover, das wenige Monate gegnerische Spielfeldhälfte befördern. später stattfand. EntAn der Qualifikationstäuscht mussten wir allerdings feststellen, «Der Roboter des Teams runde in Chemnitz war unsere Methode dass sich das Datum Helveticrobot erwies sich als die erfolgreichste. Wir des Finals mit unserer Maturareise überbesonders erfolgreich. Die konnten innert kürzesschnitt. So konnten wir Gegner konnten den Punk- ter Zeit die komplette trotz unserer QualifiAufgabe lösen. Ein tevorsprung der Schweizer kation nicht am Finale souveräner Sieg über teilnehmen. Aber der die 66 Gegner und die nicht mehr aufholen.» direkte Qualifikation Ehrgeiz der Gründer Heise Online, 27. November 2006 war entflammt. für das Finale waren die Folge.

RoboKing 07

Ein Jahr nach der Gründung war das Team Helveticrobot bereits auf fünf Schüler angewachsen. Die Aufgabe für RoboKing 07 hiess «Steinschlag im Gebirge». Auf einem 2 x 3 Meter grossen Spielfeld musste ein gestellter Steinschlag in Form von Tischtennisbällen geräumt werden. Der Roboter durfte die eingesammelten Bälle entweder auf die gegnerische Spielfeldhälfte schieben oder in seiner eigenen Basis ablegen.

Da unser Lösungsweg den Wettbewerb zu stark vereinfachte, wurde der Einsatz von Ventilatoren für die Finalrunde verboten. Wir mussten in den verbleibenden Wochen bis zum Final also einen komplett neuen Roboter entwickeln. Der neue Roboter konnte die Tischtennisbälle mittels eines Saugmechanismus einsaugen. Am Finale an CeBIT 2007 in Hannover erreichten wir den sechsten Rang.

Erfolgsstories Seit der Gründung im Jahr 2005 arbeiteten schon viele Gymnasiasten bei Helveticrobot mit und konnten dabei wichtige Erfahrungen für ihr späteres Studium sammeln. Auch in Zukunft wird ein Grossteil der Maturanden unseres Teams ein Ingenieur- oder Informatikstudium absolvieren. Damit leistet Helveticrobot einen Beitrag, den Ingenieurmangel in der Schweiz zu verringern. Darauf sind wir stolz. Benedikt Köppel: Der Gründer und aktuelle Präsident des Teams Helveticrobot erlangte im Sommer 2010 den Bachelor in Elektrotechnik und Informationstechnologie an der ETH Zürich. Jonas Müller: Der Co-Gründer war während seiner Zeit bei Helveticrobot Chef-Mechaniker und absolviert heute einen Masterstudiengang in Maschinenbau und Verfahrenstechnik an der ETH Zürich. Fabio Camichel: Als Mitglied erster Stunde plante und programmierte er von 2006 bis 2008 die Roboter. Anschliessend begann er ein Studium an der Hochschule St. Gallen in Law & Economics. Markus Gartmann: Als Mechaniker baute er für die Wettbewerbe RoboKing 2007 und 2008 die Roboter. Im Herbst 2008 begann er ein Studium als Maschineningenieur an der ETH Zürich. Gian Claudio Köppel: Er kümmerte sich um die Elektronik und Programmierung der Roboter. Seit Herbst 2010 studiert er Elektrotechnik an der Hochschule für Technik in Rapperswil. Thomas Gautschi: Er beschäftigte sich mit der Elektronik und der Programmierung der Roboter. Im Herbst 2011 beginnt er ein Studium in Elektrotechnik an der ETH Zürich.

RoboKing 08

Mit RoboKing 08 nahmen wir zum dritten Mal am RoboKing Wettbewerb teil. Dieses Mal mussten die autonomen Roboter auf einem 2 x 3 Meter grossen Spielfeld selbstständig Tennisbälle finden und in eine der beiden Kisten, genannt «Basis», an der Stirnseite des Feldes ablegen. Zwei gegnerische Roboter hatten fünf Minuten Zeit, um möglichst viele Bälle auf dem gemeinsamen Spielfeld zu sammeln. Dabei durften aber nie mehr als drei Tennisbälle gleichzeitig transportiert werden. Der Gegner durfte nicht berührt oder beschädigt werden. Innerhalb der ersten vier Minuten konnte ausserdem die Ballkiste des Gegners entleert werden, indem in der Spielfeldmitte ein Ring eingesammelt wurde. Die Tennisbälle wurden von zwei Motoren in ein Abflussrohr gedrückt, welches schräg nach oben lief. Wurde das Rohr vorne angehoben, rollten die Bälle hinten wieder heraus. Das Rohr wurde exakt so dimensioniert, dass drei Tennisbälle darin Platz fanden. So stellten wir sicher, dass der Roboter zu keinem Zeitpunkt mehr als drei Bälle mit sich führt. Mit selbstentwickelten Sensoren konnte der Roboter ausserdem erkennen, wie viele Bälle bereits eingesammelt wurden. Dadurch konnte er sofort die Ballkiste anfahren, sobald er drei Bälle im Rohr hatte. Dank dem Einsatz von Schrittmotoren und Infrarot Distanzsensoren konnte der Roboter sehr exakt manövrieren, was sich als entscheidender Vorteil herausstellte. Im November 2007 fanden die Qualifikationsspiele statt. Da unser Roboter schon zu diesem frühen Zeitpunkt sehr ausgereift war, konnten wir uns mit dem dritten Platz aus 31 Teams souverän für die Finalrunde qualifizieren. An der internationalen Technikmesse CeBIT im März 2008 wurden die Finalspiele ausgetragen. Unser Roboter erledigte die Aufgabe sehr zuverlässig. Mit dem Ausscheiden im Viertelfinal erreichten wir den fünften Rang.

Technisches Glossar Wir haben versucht, die Texte in der vorliegenden Informationsbroschüre möglichst verständlich zu gestalten. Ganz ohne Fachbegriffe kamen wir jedoch nicht aus. Hier finden Sie eine Zusammenstellung wichtiger Begriffe aus der Mechanik, Elektronik und Programmierung. Mechanik

CAD: (unten links) Mit Computer Aided Design werden Bauteile zwei- oder dreidimensional am Computer gezeichnet und zu fertigen Objekten zusammengesetzt. Dies ermöglicht es, Probleme frühzeitig erkennen zu können und bereits zu einem frühen Zeitpunkt ausgereifte mechanische Raffinessen zu entwerfen.

Holonomer Antrieb: (unten Mitte links) Beim holonomen Antrieb werden drei spezielle Räder, sogenannte Omni Wheels, im Winkel von 120° zueinander befestigt. Die Omni Wheels können nicht nur vorwärts drehen, sondern auch seitwärts rollen. Dies ermöglicht es dem Roboter, in alle Richtungen zu fahren, ohne sich drehen zu müssen. Vor allem im RoboCup Soccer wird diese Variante des Antriebs sehr häufig verwendet.

CNC: CNC steht für Computerized Numerical Control. CNC-Fräsen stellen ein Bauteil mit höchster Genauigkeit vollautomatisch her. Ein Schrittmotoren: (unten Mitte rechts) Ein Computer liest das CAD und steuert den Fräs- Schrittmotor dreht sich im Gegensatz zu Getriekopf. Die Fertigung unserer im CAD gezeichne- bemotoren ­immer um einen exakt definierten ten Bauteile wurde von einer lokalen Firma für Winkel. Dies ermöglicht es, geplante Strecken sehr genau zu fahren. Wir haben bei mehreren uns übernommen. RoboKing Wettbewerben solche Schrittmotoren Differentialantrieb: Normalerweise wird in verwendet. der Robotik der Differentialantrieb verwendet. Dabei werden zwei unabhängige Motoren links Elektronik und rechts des Roboters angebracht­. So kann ATMEL ATmega32: (unten rechts) Der der Roboter gerade Strecken und Kurven fahren. ATmega32 ist ein von ATMEL entwickelter Ausserdem kann er sich an Ort drehen. Mikrocontroller. Er hat mehrere digitale Inputund Output-Pins und mehrere analoge Inputs. Getriebemotoren: Diese mit Gleichstrom Damit kann er Sensoren auswerten, externe betriebenen Motoren werden oft in der R ­ obotik Geräte und Motoren ansteuern und mit andeverwendet. Die Ansteuerung dieser Motoren ist ren Controllern kommunizieren. Es existieren einfach. Mittels Encoder kann der gefahrene Compiler für Basic, C und C++. Auch die hardWeg des Motors bestimmt werden. warenahe Sprache Assembler wird unterstützt.

Encoder: (unten links) Ein Encoder ist ein Auf- Reflexion der Welle zurück auf den Sensor trifft. satz für einen Motor, der immer nach einem Aus der zeitlichen Differenz lässt sich die Distanz fixen Drehwinkel des Motors einen Impuls aus- zum Objekt sehr genau berechnen. löst. Damit kann der Roboter bestimmen, wie schnell der Motor tatsächlich dreht und die Programmierung Drehgeschwindigkeit mit einem ­Regler entspre- Assembler: Assembler ist die Darstellung von chend anpassen. Dies wird beispielsweise benö- Maschinencode in einer Form, die für Menschen tigt, um einen Getriebemotor mit konstanter lesbar ist. Da aber das Schreiben von AssemblerDrehzahl zu betreiben. code sehr zeitaufwändig ist, verwenden wir zur Programmierung der Roboter die Sprache C. Helligkeitssensoren: (unten Mitte links) Bei unseren Robotern verwenden wir CNY70 Senso- AVR GCC: Der GNU C Compiler ist eine ren. Diese bestehen aus einer LED, die Infrarot- direkte Umsetzung der Programmiersprache Licht emittiert, sowie einem Fototransistor, der C für ATMEL Mikrocontroller, unter anderem die reflektierte Lichtintensität misst. Damit kann den ATmega32. Zusätzlich zum normalen C bestimmt werden, wie viel Licht r­ eflektiert wird. Sprachumfang stehen spezielle Bibliotheken für So findet der Roboter heraus, ob er auf hellem den Mikrocontroller zur Verfügung. Der Code oder dunklem Boden steht. für den Roboter wird auf dem Computer in Maschinencode umgewandelt und danach auf Infrarot Distanzsensoren: (unten Mitte rechts) den ATmega32 geladen. Wir verwenden Infrarot-­Distanzsensoren von SHARP, um die Entfernung zu Wänden und C: C ist eine der am weitest verbreiteten ProHindernissen zu bestimmen. Der Sensor strahlt grammiersprachen. Mit C können sehr hardeinen Lichtstrahl im infraroten Bereich schräg warenahe Programme geschrieben werden. C nach vorne aus, welcher am Hindernis reflektiert wird heute unter anderem in der Programmiewird. Danach misst der Sensor den Auftritts- rung von Betriebssystemen und eingebetteten punkt des reflektierten Lichtstrahls und wandelt Systemen verwendet und kommt auch in unsediesen in eine analoge Spannung um. Die Span- ren Robotern zum Einsatz. nung kann danach vom Mikrocontroller in eine NXC: Not eXactly C ist eine C-ähnliche ProDistanz umgerechnet werden. grammiersprache, um den Controller des LEGO LEGO NXT: NXT ist ein Mikrocontroller-Set NXT zu programmieren. NXC wurde speziell von LEGO. Der Controller kann insgesamt 4 Sen- für das LEGO NXT Set entwickelt. Die Syntax soren und 3 Motoren ansteuern und mit ande- ist stark an C orientiert, allerdings mit einigen ren NXTs kommunizieren. Der NXT-Controller Einschränkungen. kann in verschiedenen Sprachen programmiert Regler: Ein Regler vergleicht eine vorgegebene werden, zum Beispiel mit NXC. Grösse mit einem Messwert und korrigiert die Ultraschall Distanzsensoren: (unten rechts) Abweichung möglichst schnell. Beispielsweise Auch Ultraschallsensoren dienen zur Entfer- wird ein Regler dazu verwendet, mit konstanter nungsbestimmung. Dazu senden sie eine Ult- Geschwindigkeit zu fahren oder den Abstand zu raschallwelle aus und messen die Zeit, bis die einer Wand einzuhalten.

Der WM-Roboter von 2010 in seine Einzelteile zerlegt. In der Mitte ist das Mainboard mit dem ATmega32 Controller zu sehen, links die Infrarot-Distanzsensoren. Vorne liegt ein selbst entwickelter Neigungssensor zur Erkennung der Rampe.

«A robot may not injure a human being or, through ­inaction, allow a human being to come to harm.» «A robot must obey orders given to it by human beings, except where such orders would conflict with the First Law.» «A robot must protect its own existence as long as such protection does not conflict with the First or Second Law.» Isaac Asimov, die drei Gesetze der Robotik

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