Azevedo die IT Androids: das humanoide Fussball-Roboter-Team

December 18, 2017 Judy Warner

2017 ITAndroids 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 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 begannen außerdem mit demDesign eines Roboters, mit dem wir in der Small Size-Liga antreten können, und wollen zur LARC 2018 ein vollständiges Team zusammenstellen.

Das Innenleben von „Chape“Das mit Altium Designer entwickelte Leiterplatten-Design des Teams

Warner: Das scheint ja eine lange und sehr erfolgreiche Geschichte zu sein! Wie viele Studenten gehören insgesamt zu Ihrem Team, und wie verteilen sie sich auf die Unterteams Elektronik und PCB-Design?

 

Azevedo: Unser Team umfasst insgesamt etwa 60 Studenten, 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 Studenten 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.

 

Fußball-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 eine groß angelegte Umarbeitung 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.

 

Fußball-Simulation 3D: Diese Kategorie folgt denselben Herausforderungen wie die vorherige, muss allerdings noch dreidimensionale, humanoide Roboter simulieren. Das heißt, dass die Bewegungen der Roboter implementiert werden 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 Werkzeugen für diese Optimierungen. Zusätzlich wurde an einer effizienteren Methoden zum Testen der Roboter gearbeitet.

 

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

Unser Team hat seine Hardware-Kenntnisse aufgrund unseres humanoiden Modells, das wir nur liebevoll Chape nennen und das auf einem im letzten Jahr importierten Darwin-OP-Roboter basiert, erheblich erweitern können. Das Hardwareprojekt war umfangreich, sowohl was das Mechanische mit all der maschinellen Bearbeitung und dem Druck fast aller Roboterteile betraf, als auch bei der elektrischen Hardware, die wir mithilfe von Altium Designer erstellt haben. Das Softwareentwicklungsteam hat ebenfalls sehr hart gearbeitet, um die Bewegungen und das Sehvermögen des Roboters zu verbessern.

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 Verbesserungen am Rechen-Board und den Motoren erstellt hat, wurde das Hardwaredesign mit Altium Designer in Angriff genommen. Die Software half bei der Strategieentwicklung des Teams, und zusätzlich haben wir einen Simulator erstellt, um uns bei den Tests zu unterstützen.

 

Small Size: Diese kann als eine Art Erweiterung der vorherigen Kategorie angesehen werden – mit einem größeren Team und Robotern mit einer komplexeren mechanischen Struktur. Als neue Kategorie befindet sich dieses Projekt seit Jahresbeginn in der Entwicklungsphase, was unsere Hardwarefähigkeitennochmals signifikant wachsen lässt. Auch hier hat Altium Designer eine wichtige Rolle in unserem Projekt gespielt. Es musste eine eigene Software entwickelt werden, was eine große Herausforderung war.

„Chape“ beim Robocup-Wettbewerb

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“ auf Funktion und Leistung testen konnten. Die Interaktion mit Teams aus der ganzen Welt war ebenfalls sehr aufregend. Es war insgesamt eine sehr umfassende Lern- und Lehrerfahrung. Jedes Gespräch mit Teammitgliedern von Universitäten von allen Kontinenten 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 humanoid Roboter Chape sollte von Anfang an modular und leicht zu warten sein. Die elektronische Architektur erfordert verschiedene Arten von Leiterplatten, die sich die Aufgabe der Energieaufbereitung und -verteilung, der Sensorik und Aktorsteuerung, der Datenkommunikation auf niedrigster Ebene, der Zustandsüberwachung, der Nutzerfreundlichkeit, der Fehlerbehebung und der Wartung teilen.

Die Architektur besteht aus zwei Leiterplatten:

Das PWB (Power Manager) ist eine intelligente Leiterplatte mit einem eigenen Leistungsregelungs-Algorithmus. Der geregelte Spannungsbus wird auf dem PWB generiert. Der ungeregelte Spannungs-Bus mit hoher Leistung entsteht aus dem Management verschiedener Energiequellen (z. B. einer Batterie) und einer externen Stromversorgung.

Das CMB ist das Herz der grundlegenden Physical-Layer-Implementierung. 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 Summer für Hinweise steuern und der Verteilung des ungeregelten Hochleistungs-Spannungsbusses dienen. Die Kommunikation mit dem High Processing Main Computer besorgt ein NUC i5 von Intel, mit dessen 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, Summer 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 Studenten wenden Zeit dafür auf, sich aus den regelmäßigen Kursstunden, aus der Fakultät und aus dem Internet Wissen anzueignen.

„Chape“, der humanoide Roboter, macht zwischen den Robocup-Wettbewerben eine PauseEntworfen mit Altium Designer Software

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

 

Azevedo: Da das Team fast ausschließlich aus Bachelor-Studenten 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.), einen 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 weitergeben können. Der Mechanikmentor war unverzichtbar für das Chape-Roboterprojekt, und zwar sowohl im CAD-Projekt als auch in der Herstellung. Ebenso haben sie dem Small-Size-Ligateam Unterstützung anbieten können. 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 unserer Studenten stets zu wissenschaftlichen Forschungsarbeiten, woraus sechs veröffentlichte Artikel hervorgegangen sind.

Roboter der Small-Klasse, gebaut vom ITAndroids-Team

Warner: Herzlichen Glückwunsch, Arthur, zu einem sehr erfolgreichen Jahr und einer leidenschaftlich arbeitenden Gruppe von Studenten, 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.

 

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

 

About the Author

Judy Warner

Judy Warner has held a unique variety of roles in the electronics industry since 1984. She has a deep background in PCB Manufacturing, RF and Microwave PCBs and Contract Manufacturing with a focus on Mil/Aero applications in technical sales and marketing. She has been a blogger, writer, contributor and journalist for several industry publications such as Microwave Journal, The PCB Magazine, The PCB Design Magazine, PDCF&A and IEEE Microwave Magazine and is an active member of multiple IPC Designers Council chapters. In March 2017, Warner became the Director of Community Engagement for Altium and was immediately tasked with the launch of Altium’s monthly On Track Newsletter. She was also instrumental in launching AltiumLive 2017: Annual PCB Design Summit in San Diego and Munich, a newly founded annual Altium User Conference. Her passion is providing resources, supporting and advocating for PCB Designers around the world and acting as brand ambassador for Altium.

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