So sehen Sieger aus: Das Team der Universität Bonn mit ihrem Roboter-Avatar NimbRo.

So sehen Sieger aus: Das Team der Universität Bonn mit ihrem Roboter-Avatar NimbRo. (Bild: Uni Bonn)

NimbRo siegt beim ANA Avatar XPrize-Wettbewerb

Das Team NimbRo der Universität Bonn hat beim ANA Avatar XPrize-Wettbewerb in Long Beach (USA) den Hauptpreis von fünf Millionen US-Dollar gewonnen. Im Finale des von der japanischen Fluglinie All Nippon Airways (ANA) gesponserten und von der XPrize-Foundation ausgerichteten Wettbewerbs traten 17 Teams aus zehn Ländern an.

Ziel  des Wettbewerbs war es, Robotersysteme zu entwickeln, mit denen sich Menschen virtuell an einen anderen Ort versetzen können. Dies funktioniert über eine Bedienstation und einen Avatar-Roboter, die über das Internet verbunden sind. Die Sensoren des Avatar-Roboters erfassen die Umgebung, die in der Bedienstation so angezeigt wird, dass der Benutzende das Gefühl hat, sich am entfernten Ort zu befinden.

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Im Wettbewerb wurden die Avatar-Systeme nicht von den Entwicklern gesteuert, sondern von Mitgliedern einer internationalen Jury. Sie hatten nur wenige Minuten Zeit, sich mit dem System vertraut zu machen. “Daher war die intuitive Benutzbarkeit ein wichtiges Ziel beim Systemdesign”, sagt Prof. Dr. Sven Behnke vom Team NimbRo, der die Arbeitsgruppe für Autonome Intelligente Systeme an der Universität Bonn leitet.

Hintergrund: So funktioniert der NimbRo-Avatar

So sieht die "Fernsteuerung" des NimBro aus.
So sieht die "Fernsteuerung" des NimBro aus. (Bild: Uni Bonn)

Das Avatar-System des Teams NimbRo wurde drei Jahre lang an der von Prof. Dr. Sven Behnke geleiteten Arbeitsgruppe für Autonome Intelligente Systeme des Instituts für Informatik VI – Intelligente Systeme und Robotik der Universität Bonn entwickelt. Der Avatar-Roboter hat einen menschenähnlichen Oberkörper mit zwei Armen und Fünf-Finger-Händen. Am Kopf sind eine weitwinklige Stereokamera, ein Stereomikrofon und ein Display befestigt, auf dem das Gesicht des Benutzenden animiert wird.

Die entfernte Szene wird dem Benutzenden durch eine 3D-Datenbrille visualisiert, wobei dessen Kopfbewegungen erfasst und auf den Avatarkopf übertragen werden. So kann der Benutzende sich frei umschauen, an Hindernissen vorbeisehen und Objekte aus verschiedenen Blickwinkeln betrachten, was wesentlich zum Gefühl der Immersion, also dem Eintauchen in der entfernten Umgebung, beiträgt. Neben den Live-Videosignalen wird auch Stereo-Audio übertragen.

Der Benutzende spürt die Interaktionskräfte der Avatar-Hände über Kraft-Momente-Sensoren im Handgelenk. Roboterarme erfassen die Handbewegungen des Benutzenden und leiten diese an die Avatar-Arme weiter. Hand-Exoskelette vermitteln die Fingerbewegungen. Die Greifkräfte werden durch die Motorströme der Fingermotoren erfasst und auf die Finger des Benutzenden übertragen. Haptischen Sensoren sorgen zudem dafür, dass Messungen auf die Fingerspitzen des Benutzenden übertragen werden.

Der Avatar-Roboter kann in alle Richtungen fahren und sich auf der Stelle drehen, wobei Richtung und Geschwindigkeit sich über einen Fußcontroller steuern lassen. Für die Orientierung sorgen Kameras, welche eine Rundumsicht von oben erzeugen. Die Datenbrille ist mit drei Kameras ausgestattet, um für eine Live-Gesichtsanimation, die auf dem Kopf-Display des Avatar-Roboters angezeigt wird, Augenbewegungen und Mimik des Benutzenden zu erfassen.

Eine der Aufgaben des Wettbewerbs: Avatar-Roboter beim blinden Ertasten eines Steins.
Eine der Aufgaben des Wettbewerbs: Avatar-Roboter beim blinden Ertasten eines Steins. (Bild: XPrize Foundation)

Beim Finale gab es einen Qualifikationslauf und zwei Wettbewerbsläufe an drei aufeinander folgenden Tagen. Es ging dabei um eine Mission, die auf einem entfernten Planeten spielen könnte. Zu den Aufgaben gehörte die Kommunikation mit einem Menschen, die Betätigung eines Schalters, das Schätzen des Gewichts von Gegenständen, der Gebrauch eines Akkuschraubers und das blinde Erkennen eines Steins anhand der Rauheit der Oberfläche. Neben der Aufgabenerfüllung wurde auch die Qualität der Telepräsenz-Erfahrung durch Jurymitglieder bewertet.

In den beiden Wettbewerbsläufen erhielt NimbRo auch hier die volle Punktzahl. Bei identischer Punktzahl entschied die Ausführungszeit. Mit knapp sechs Minuten war NimbRo hier fast doppelt so schnell wie das zweitbeste Team “Pollen Robotics” aus Bordeaux (Frankreich). Für die beste Wettbewerbsleistung erhielt NimbRo den Hauptpreis von fünf Millionen US-Dollar.

 

Dieses Youtube-Video zeigt den NimbRo-Avatarroboter bei einem der finalen Wettbewerbsläufe

Mit dem Einachsroboter unter Hindernissen "durchtauchen"

Mit einer Prämie von 2000 Euro nicht ganz so lukrativ, aber thematisch durchaus spannend ist die Auszeichung für den Mechatronikstudenten Alessandro Papa von der Hochschule Karlsruhe. Für seine Masterarbeit „Chabo – The Challenging Bot“ wurde er mit dem Deutschlandpreis des Fachbereichstags Maschinenbau e. V. ausgezeichnet. Er hat darin einen fahrender Einachsroboter beschrieben, der durch ein selbst entwickeltes Steuerungssystem unter Hindernissen „durchtauchen“ kann.

 

Der einachsige "Segway"-Roboter wurde von ihm in der Mitte mit einem Schwungrad mit eigenem Antrieb erweitert, mit dem sich zusätzlich der Kippwinkel beeinflussen lässt, sodass er sich unabhängig von seiner Fahrtrichtung verneigen kann. Ein Hindernis lässt sich somit nicht nur vorwärts, sondern auch rückwärts fahrend „durchtauchen“. Die implementierte Software ermöglicht eine Bedienung des Roboters und somit auch die Durchführung von Experimenten.

Im nächsten Schritt folgten die Steuerung zur Stabilisierung des Roboters und anschließend zum gewünschten Bewegungsablauf. Mit 20 bis 30 Testläufen war es dann möglich, die Steurung des Bewegungsablauf durch Iterative Learning Control (ILC) zu optimieren, einer Kombination aus Maschinellem Lernen und Regelungstechnik. Ohne selbstlernendes System wäre das ein erheblich höherer zeitlicher Ingenieuraufwand gewesen.

Ein kurzes Video stellt den erzielten Bewegungsablauf vor:

„Das Ergebnis der Arbeit ist ein voll funktionsfähiger, neuartiger Balancierroboter, der preiswert sowie leicht nachzubauen ist“, so Prof. Dr.-Ing. Joachim Wietzke aus der Fakultät für Maschinenbau und Mechatronik als Betreuer der Abschlussarbeit. „Die mögliche Anwendungsfelder sind sehr breit gefächert und reichen von Produktionsanlagen, Logistikzentren, medizinischen Robotern, Humanoidrobotern bis zur Energieversorgung. Nicht zuletzt werden wir ihn in der Methodenforschung im Feld des künstlichen Bewegungslernens einsetzen.“

Unter dem Motto „Kreativer Ingenieurnachwuchs!“ vergibt der Fachbereichstag Maschinenbau e. V. jedes Jahr den Deutschlandpreis für besonders herausragende, wirtschaftliche und technische Entwicklungen von AbsolventInnen, die einen besonderen Beitrag im Fachgebiet Maschinenbau leisten.

Per Roboter Arthritis erkennen

Beim Kuka Innovation Award drehte sich in diesem Jahr unter dem Motto „Robotics in Healthcare Challenge“ alles um das Thema Medizin und Gesundheit. Fünf Teams präsentierten auf der Medizinmesse Medica in Düsseldorf ihre Ideen für das Gesundheitswesen der Zukunft. Arthritis-Untersuchungen mit Robotik-Unterstützung: Damit konnte ein junges Forscherteam aus Dänemark den Wettbewerb für sich entschieden und 20.000 Euro Preisgeld einstreichen.

Das dänische Team ROPCA hat die Vision, eine Vielzahl von Anwendungsplattformen für Roboter zu entwickeln, die Kliniken helfen, die Produktivität und Qualität ihrer täglichen Arbeit zu steigern. Das erste Produkt ist ARTHUR - ein ARTHritis-Ultraschall-Roboter. Die Anwendung besteht aus einer automatisierten Ultraschallplattform für die Untersuchung von Patienten mit rheumatoider Arthritis. Der Patient kann direkt mit der Plattform interagieren und der Arzt spart Zeit bei der Konsultation des Patienten, da die Ultraschallbilder für die Diagnose bereits vorhanden sind.

Basis für die Lösung ist der LBR Med von Kuka – der erste kollaborative Roboter, der speziell zur Integration in ein Medizinprodukt zertifiziert ist.

Auf der Messe Medica wurde das dänische Team ROPCA auf dem Kuka-Stand als Gewinner des Wettbewerbs „Robotics in Healthcare Challenge“ ausgezeichnet.
Auf der Messe Medica wurde das dänische Team ROPCA auf dem Kuka-Stand als Gewinner des Wettbewerbs „Robotics in Healthcare Challenge“ ausgezeichnet. (Bild: Kuka)

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