Entwicklung und Offenlegung der Hard- und Software eines humanoiden Fußballroboters für die RoboCup TeenSize-Klasse
Image and Language Processing, Computer Graphics and Visualisation, Human Computer Interaction, Ubiquitous and Wearable Computing
Final Report Abstract
Ziel des beantragten Projekts war die Entwicklung eines leistungsfähigen humanoiden Fußballroboters, dessen Größe durch die Regeln der RoboCup-TeenSize-Klasse vorgegeben war und daher mindestens 90 cm betragen sollte. Ausgehend von dem als Vorleistung entwickelten NimbRo-OP-Roboter wurde durch die Arbeitsgruppe Autonome Intelligente Systeme der Universität Bonn gemeinsam mit dem Anwendungspartner igus® GmbH die igus® Humanoid Open Platform konzipiert, designt und gefertigt. Im Gegensatz zu vorherigen humanoiden Robotern, wurden die tragenden Teile des Roboters vollständig im 3D-Druckverfahren Selektives Lasersintern (SLS) aus Kunststoff gefertigt. Diese bilden ein Exoskelett, sodass neben der Verbindungs- und Stützfunktion eine Außenhülle mit ansprechender Form entsteht. Die Roboter haben 20 Gelenke, die durch intelligente Aktuatoren angetrieben werden: sechs pro Bein, drei pro Arm und zwei im Hals. Sie sind mit einer weitwinkligen Farbkamera, Inertialsensoren, einem Mikrocontrollerboard und einem leistungsfähigem Bordrechner ausgestattet. Beim RoboCup 2015 in Hefei, China, wurde die igus® Humanoid Open Platform mit dem erstmals vergebenen RoboCup Design Award ausgezeichnet. Die System- und Anwendungssoftware des Roboters wurde vollständig neu entwickelt. Dazu kam die ROS-Middleware zum Einsatz, die eine modulare Softwareentwicklung erlaubt und in der Robotik- Forschung weit verbreitet ist. Auf dieser Grundlage wurden Module zur Kommunikation und Ablaufsteuerung entwickelt. Softwaremodule zur Wahrnehmung der Spielsituation, zur Generierung von Gang-, Schuss- und Aufstehbewegungen sowie zur Steuerung von Fußballverhalten wurden entwickelt. Darüber hinaus sind Komponenten zur physikbasierten Simulation des Roboters, zum Verhaltensdesign sowie zur Visualisierung und Konfiguration entstanden. Die komplette Hard- und Software wurde offen gelegt und dokumentiert, um anderen Forschergruppen einen leichten Einstieg in die humanoide Robotik zu ermöglichen. Die Leistungsfähigkeit des entwickelten Robotersystems wurde bei zahlreichen Demonstrationen und Messepräsentationen und insbesondere bei RoboCup-Fußballweltmeisterschaften unter Beweis gestellt. Beim RoboCup 2016 in Leipzig sowie beim RoboCup 2017 in Nagoya, Japan, hat das Bonner Team NimbRo mit den im Projekt entwickelten Robotern souverän die Wettbewerbe der Humanoid-TeenSize- Klasse gewonnen. Darüber hinaus wurden die Projektentwicklungen 2013 mit dem Harting Open-Source Award für NimbRo-OP und 2016 mit dem First International Harting Open-Source Award für die igus® Humanoid Open Platform ausgezeichnet. Die im Projekt entwickelten Roboter stießen auf reges Interesse in der RoboCup-Humanoid-Liga und bei Forschergruppen im Bereich der humanoiden Robotik und wurden von mehreren Gruppen verwendet und für unterschiedliche Anwendungsszenarien weiter entwickelt. Die Projektentwicklungen bildeten den Ausgangspunkt für die Entwicklung des größeren, 3D-gedruckten humanoiden Roboters NimbRo-OP2 an der Universität Bonn. Neben den technischen Entwicklungen der Roboterhardware und -software wurden im Projekt auch neue Methoden entwickelt und veröffentlicht, insbesondere zur Lageschätzung und Orientierunsrepräsentation durch Fused Angles, zur Gangstabilisierung durch zahlreiche Feedback-Mechanismen sowie zur visuellen Wahrnehmung der Spielsituation, der Selbstlokalisierung, dem Lernen der Ball- und Roboterdetektion, und zur Identifikation und Verfolgung von Robotern im Kamerabild.
Publications
- Compliant Robot Behavior using Servo Actuator Models identified by Iterative Learning Control. In Proceedings of 17th RoboCup International Symposium, Eindhoven, Netherlands, RoboCup 2013: Robot World Cup XVII, LNCS 8371, pp. 207-218, Springer, 2014
Max Schwarz and Sven Behnke
(See online at https://doi.org/10.1007/978-3-662-44468-9_19) - Robust Sensor Fusion for Robot Attitude Estimation. In Proceedings of 14th IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots (Humanoids), pp. 218-224, Madrid, Spain, 2014
Philipp Allgeuer and Sven Behnke
(See online at https://doi.org/10.1109/HUMANOIDS.2014.7041363) - Child-sized 3D Printed igus Humanoid Open Platform. In Proceedings of IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots (Humanoids), pp. 33-40, Seoul, Korea, 2015
Philipp Allgeuer, Hafez Farazi, Michael Schreiber, and Sven Behnke
(See online at https://doi.org/10.1109/HUMANOIDS.2015.7363519) - Fused Angles: A Representation of Body Orientation for Balance. In Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), pp. 366- 373, Hamburg, Germany, 2015
Philipp Allgeuer and Sven Behnke
(See online at https://doi.org/10.1109/IROS.2015.7353399) - Omnidirectional Bipedal Walking with Direct Fused Angle Feedback Mechanisms. In Proceedings of IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots (Humanoids), pp. 834-841, Cancun, Mexico, 2016
Philipp Allgeuer and Sven Behnke
(See online at https://doi.org/10.1109/HUMANOIDS.2016.7803370) - The igus Humanoid Open Platform: A Child-sized 3D Printed Open-Source Robot for Research. German Journal on Artificial Intelligence (KI), volume 30, issue 3-4, pp. 315-319, 2016
Philipp Allgeuer, Hafez Farazi, Grzegorz Ficht, Michael Schreiber, and Sven Behnke
(See online at https://doi.org/10.1007/s13218-016-0448-6) - Real-Time Visual Tracking and Identification for a Team of Homogeneous Humanoid Robots. In Proceedings of 20th RoboCup International Symposium, Leipzig, Germany, RoboCup 2016: Robot World Cup XX, LNCS 9776, pp. 230-242, Springer, 2017
Hafez Farazi and Sven Behnke
(See online at https://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-68792-6_19) - RoboCup 2016 Humanoid TeenSize Winner NimbRo: Robust Visual Perception and Soccer Behaviors. In: RoboCup 2016: Robot World Cup XX, LNCS 9776, pp. 478-490, Springer, 2017
Hafez Farazi, Philipp Allgeuer, Grzegorz Ficht, André Brandenburger, Dmytro Pavlichenko, Michael Schreiber, and Sven Behnke
(See online at https://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-68792-6_40)
