Kleinmotoren geben Tischfußballroboter Schusskraft

Was wie Spielerei aussieht, ist oft ernsthafte Wissenschaft mit großem Potenzial für Forschung und kommerzielle Nutzung. In Deutschland wird das leider zu oft vergessen. Eine der Ausnahmen ist ein Forschungsprojekt der Uni Freiburg in Zusammenarbeit mit der adp Gauselmann GmbH, einem Tochterunternehmen der Gauselmann Gruppe. Im Rahmen der Doktorarbeit von Thilo Weigel wurde eine spezielle Software für ein Tischfußballspiel entwickelt. Sie soll auf intelligente Weise auf situationsbezogene Eingaben des Spielgeschehens reagieren. Moderne Prozessortechnik und eine optische Bildverarbeitung über Kamera sorgen für den Dateninput und die Auswertung. Als Aktoren bewähren sich robuste, sprintstarke Gleichstrommotoren. Dieses "Spiel" bildet eine ideale Grundlage, um situationsbezogene Software zu testen. Zusätzlich ist dem spielerischen Forschungsansatz nun auch noch ein kommerzieller Erfolg als Tischkick-Roboter beschieden.

Eine Theorie ist nur gut, wenn sie sich auch in der Praxis bewährt. Aus diesem Grund entwickelte der Lehrstuhl für künstliche Intelligenz der Uni Freiburg seine neue situationsbezogen reagierende Software "Interaktiv". Der Praxistest gibt dabei wertvolle Hinweise auf Verbesserungsmöglichkeiten. Erforderlich dafür ist eine komplexe Situation, die dem Programm zusätzlich schnelle Reaktionen abverlangt. Ein Blick über den Tellerrand zeigt schnell: Es gibt optimale Lösungen auch für solche scheinbar schwierigen Fälle. Ein Tischfußballspiel stellt hohe Ansprüche sowohl durch ein komplexes Spielgeschehen als auch durch die hohe Geschwindigkeit des Balls. Eine Steuerung, die mit den entsprechenden Aktoren dieses Problem "spielerisch" in den Griff bekommt, ist auch anderen Automatisierungsaufgaben gewachsen.
Das ganze Geschehen spielt sich dabei im Tischkick-Roboter ab, auf nur 220 x 157 x 121 cm (Höhe, Breite, Tiefe). Be­­denkt man die Komplexität des Ablaufes ist dies eine vergleichsweise kompakte Testanlage. Um die anstehenden Auf­gaben optimal zu lösen, arbeitete der Lehrstuhl mit Spezialisten aus der Praxis zusammen. Für die nötige Schusskraft und Beweglichkeit des Kickers steuerte der Kleinmotorenspezialist FAULHABER sein Antriebs-Know-how bei, die Firma adp Gauselmann GmbH, bekannt als an­spruchsvoller Spielgerätehersteller, sorgte für die praxisgerechte Gestaltung des Roboters.

Funktionsprinzip

Die eigentliche Steuerung des Spiels übernimmt ein PC. Eine angeschlossene Kamera liefert die nötigen Daten über das Geschehen auf dem Spielfeld. Alle 20 Millisekunden wertet die PC-Software das aktuelle Kamerabild aus. Dabei werden Ballposition und Geschwindigkeit sowie die Bewegungsrichtung des Balles bestimmt. Auf Grundlage dieser Daten entscheidet das Programm dann, wann welcher Spieler wie bewegt werden muss. Dazu werden die Spielstangen horizontal positioniert bzw. die Stange und damit die Spieler gedreht. So kann der Ball erfolgreich getroffen oder vom Torwart abgewehrt werden.
Um die Auswertung zu entlasten, muss man mit möglichst wenigen Daten auskommen. Geschickte Datenerfassung und Arbeitsteilung sind hier gefragt. Eine Infrarotkamera beobachtet das Geschehen von unten durch das transparente Spielfeld. Ein Flutlicht aus etwa 300 infraroten Leuchtdioden in der Umrandung "beleuchtet" das Spielfeld. Die Spielfläche selbst ist mit einer IR-durchlässigen Filterfolie überzogen, sodass nur die vom Ball reflektierten IR-Srahlen zur Kamera gelangen. Das vereinfacht die Auswertung bei der Ballerfassung enorm.
Auch zu den Aktoren wurde der Datenfluss minimiert. Hier gibt der Steuerungs-PC nur noch übergeordnete Befehle wie: "rechts", "links" oder "Schuss" aus, die eigentliche Feinarbeit übernehmen untergeordnete Steuerungseinheiten. Dazu setzt der Tischfußballroboter auf standardmäßige FAULHABER Motion Controller, die optimal auf die verwendeten DC-Motoren abgestimmt sind. Minimale Rechenzeiten durch minimierte Datenmenge und kleinste Verzögerungszeiten dank optimierter Aktoransteuerung bringen so das Spiel zum Laufen.

Spielfeld mit Beleuchtung und Filterfolie, die Kamera beobachtet von unten das Geschehen.
Kompakter, spurtstarker Antrieb per Seil und Riemen

Spielerantrieb

Im Gegensatz zum Profifußball sorgt beim Star Kick Roboter nicht Geld für die "Motivation" der Spieler. Je Spielstange sind zwei Motoren vorgesehen. Antriebe auf der Bodenplatte des Gerätes bewegen über Seilzüge in den Stangen die Spieler horizontal. Das Seil umschlingt die jeweilige Antriebstrommel mehrfach und vermei­det durch erhöhte Reibung ein Durchrut­schen. So ist eine exakte, antriebssynchrone Steuerung der Spieler möglich. Für die Schusskraft, also die Rotation der Spieler setzten die Entwickler dagegen auf einen Riemenantrieb an der Rückseite des Gerätes. Die Motoren bewegen sich bei dieser Anwendung sehr dynamisch, aber immer nur kurzzeitig. Der Antriebsspezialist aus Schönaich empfahl daher den Einsatz von spurtstarken Standard-DC-Motoren mit Kohlebürsten. Die robusten Motoren erreichen in der Spitze Abgabeleistungen von über 220 Watt, haben also viel Power für die Spieler.
Um der Steuerung die jeweiligen Spielerpositionen mitzuteilen, hat jeder Antriebsmotor einen magnetischen Im­pulsgeber. Bei 512 Impulsen pro Umdrehung ist die Auflösung so fein, dass kein Ball den Spielerfüßen entgehen kann. Um die eigentliche Motoransteuerung und Drehimpulsaufbereitung kümmert sich je Motor ein Motion Controller. Er fährt die Spieler bei Spielbeginn in eine definierte Ausgangsstellung und wertet dann die Drehgeberdaten aus. Die so aufbereiteten Daten gehen über eine RS232-Schnitt­stelle zum PC. Im Gegenzug kommen von dort die Informationen zur Spielerführung. Diese setzt der Controller dann in motorgerechte Stromimpulse um. Seil- bzw. Riemenscheiben sorgen für die richtige Untersetzung beim Spielbetrieb. Abhängig von den nötigen Beschleunigungswerten wird die Übersetzung so ausgelegt, dass die Motoren im optimalen Drehzahl­bereich arbeiten. Zusammen mit einer praxisgerechten Konstruktion und einer robusten Antriebstechnik entstehen Lösungen, die noch vor wenigen Jahren als unmöglich galten. Gerade auf dem Gebiet der Kleinantriebe stehen heute schon leistungsfähige Standardprodukte bereit, die ohne weiteres auch anspruchsvolle neue Aufgaben bewältigen können. Gefragt sind Kreativität und Spieltrieb, die modernen Antriebssysteme sorgen dann schon für die notwendige Bewegung.

Der Star Kick Roboter wurde als kompakte, "spiele­rische" Testanlage für eine Software entwickelt und ist heute selbst ein Markt­erfolg.
Leistungsstarker DC-Kleinstmotor, für schnelle exakte Positionierung durch den Motion Controller gesteuert.