Meisterschaft der Maschinen: RoboCup Rescue sucht Robohelden
Auf der Suche nach Verletzten und Verschütteten begeben sich Rettungskräfte häufig selbst in Gefahr. Rettungsroboter können wichtige Daten liefern und so die Suche für Einsatzkräfte sicherer machen.
- Christian Pfitzner
Meisterschaft der Maschinen:
Nach einem Erdbeben soll ein beschädigtes Gebäude durchsucht werden. Der Einsatzleiter muss die Einsturzgefahr gegenüber der Sicherheit seiner Leute abwägen: Kommt es zu einem Nachbeben, können die Rettungskräfte selbst zu Verschütteten werden. Sollten sich gar keine Personen mehr im Gebäude befinden, würden sie sich völlig sinnlos in Gefahr begeben.
Rettungs-Roboter sollen helfen, solche Gefahren für Einsatzkräfte zu minimieren. Ähnlich einem Bernhardiner sollen sie mit ihren Sensoren Personen finden, selbst wenn diese verschüttet sind. Die eigentliche Rettung übernimmt weiterhin der Mensch.
Ernstfall: Fukushima
Als am 11. März 2011 das Tohoku-Erdbeben und die darauf folgende Tsunami-Welle vier Reaktorblöcke in Fukushima beschädigten, war lange Zeit unklar, wie es in den Reaktorgebäuden aussieht. Messungen im Inneren des Reaktorgebäudes sollten Aufschluss darüber geben, wie schwer der Reaktorkern beschädigt ist. Was in den 80er Jahren bei der Reaktorkatastrophe von Tschernobyl noch durch Menschen geleistet wurde, konnte 2011 von Robotern erledigt werden: Das Idaho National Laboratory schickte zwei PackBot der Firma iRobot in das verstrahlte Gebäude.
(Bild: Wataru Umehara, furo)
Allerdings erlaubte der Stahlbeton des Kraftwerks kaum eine Funkkommunikation. Deshalb zog jeder Roboter ein Kabel hinter sich her, das die Steuersignale seines Bedieners übertrug. Zugleich hatten die Roboter im Reaktorgebäude mit unwegsamen Gelände zu kämpfen: Weil durch die Explosionen im Reaktorgebäude große Trümmer den Weg versperrten, kamen sie nur langsam voran. Nur der eilends mit Kameras und Sensoren ausgestattete Rettungsroboter Quince drang schneller und weiter in das Gebäude vor. Dank seiner Videoaufnahmen und Strahlungsmessungen konnten sich die Experten einen Überblick von der Zerstörung im Inneren des Gebäudes machen.
Die Katastrophe in klein: Rescue Parcours
Die Arena des Rescue Parcours in RoboCup-Wettbewerben der Rettungsliga soll ein derartiges Szenario nach einem Erdbeben nachstellen. Das National Institute of Standards and Technology (NIST) entwickelt Testmethoden, um die Fähigkeiten der einzelnen Roboter und Teams zu vergleichen. Eine Jury bestehend aus Mitgliedern von NIST sowie Robotik-Experten bewertet die Teams mit ihren Robotern hinsichtlich mehrere Kriterien. Oberste Priorität hat das Finden von verletzten Personen, die sich nicht selbst helfen können – im Parcours dargestellt durch Babypuppen. Diese sind in eine Heizdecke gehüllt und heben sich deshalb im Bild einer Wärmekamera deutlich von der Umgebung ab.
(Bild: Christian Pfitzner)
Zusätzliche Punkte gibt es für das Erkennen von QR-Zeichen und Gefahrenschildern. Eine mittels Laserscanner erstellte Karte bringt zusätzliche Punkte ein. Diese Karte kann potentiellen Rettungskräften dazu dienen, gefundene Personen schneller aufzufinden.
Ein Bediener in einer abgetrennten Kabine steuert den Roboter. Der Fahrer hat keinen Sichtkontakt zu dem Roboter und muss mit den Sensordaten des Roboters den Parcours bewältigen. Probleme in der Funkverbindung und kleinere technische Defekte sind zusätzliche Herausforderungen, die den Fahrer während der drei Tage Wettkampf fordern.
Teilarenen für unterschiedliche Ansprüche
(Bild: Christian Pfitzner)
Bis zur deutschen Meisterschaft 2015 untergliederte sich die Arena in drei farblich markierte Teilbereiche: In der gelben Arena dürfen Roboter nur Punkte sammeln, wenn sie autonom unterwegs sind. Die Interaktion mit einem Bediener beschränkt sich darauf, dass der Roboter sich im Falle eines gefundenen Opfers meldet, und der Bediener dies kurz per Mausklick bestätigt. Alle Roboter – egal ob ferngesteuert oder autonom – starten in diesem gelben Bereich. Auch ein ferngesteuerter Roboter muss also zunächst diesen Bereich durchfahren, um Punkte erzielen zu können; das kostet Zeit.
Der darauf folgende orange Bereich bietet anspruchsvolleres Gelände mit größeren Rampen sowie Schotter und Sand. In diesem Bereich dürfen die Roboter auch ferngesteuert auf die Jagd nach Punkten gehen. Der drittem rote Bereich besteht aus großen Hindernissen, steilen Rampen, Treppen und einem Wald aus Holzpfählen: Das so genannte Stepfield fordert die Roboter hinsichtlich ihrer Mobilität.
Gute Rettungsroboter müssen in mehreren Szenarien bestehen können, doch meistens kommt es zum Kompromiss: Ein kleiner Roboter ist wendig und kann auch durch kleine Öffnungen fahren. Ein großer Roboter hat dagegen weniger Probleme beim Überfahren von größeren Hindernissen und kann zusätzlich einen Roboterarm transportieren, mit dem er Hindernisse aus dem Weg räumen oder Türen öffnen kann.
Bilder erkennen, Karten zeichnen, Türme bauen
Neben der Gesamtwertung vergibt die Jury auch Preise in vorgegebenen Kategorien: Beim "Best in Class Autonomy" messen sich autonome Roboter im gesamten Parcours. Für jeden gefunden QR-Code gibt es Punkte, einen weiteren, wenn dieser QR-Code auch in einer Karte eingetragen ist. Team Hector von der TU Darmstadt schneidet hierbei seit Jahren bei den German Open und auch international als Bester ab.
(Bild: Christian Pfitzner)
Wie geschickt die Roboter mit ihrem Roboterarm sind, zeigt sich in der Disziplin "Best in Class Manipulation". Hierbei gilt es zum einen, einen Turm aus Holzelementen zu bauen. Zum anderen müssen die Bediener mit ihrem Roboter Röhren inspizieren.
Der Wettkampf für den "Best in Class Mobility" gerät jedes Jahr zur Materialschlacht und wird deshalb von den Organisatoren bewusst als Abschluss des Wettkampf gewählt: Im Stepfield gilt es, möglichst viele Runden zu fahren. Erfahrungsgemäß geben hier die meisten Roboter durch technischen K.O. auf – oder werden zumindest stark beschädigt.
Reproduzierbare Ergebnisse
Für den RoboCup 2016 in Leipzig änderten die Organisatoren zunächst das Regelwerk: Sie unterteilten den bisher großen zusammenhängende Parcours in mehrere kleinere Testboxen. In jedem Szenario müssen die Teams mit ihren Robotern nur eine Aufgabe lösen, das jedoch mit möglichst vielen Wiederholungen in einem vorgegebenen Zeitfenster von 15 Minuten. Jede Wiederholung gibt dabei einen Punkt.
Das NIST möchte hierdurch prüfen, ob die Roboter eine Aufgabe zuverlässig und reproduzierbar lösen können. So müssen sie in einer Testbox ein Treppenhindernis möglichst häufig überwinden, in einer anderen erschwert ein Hindernis mit herabhängenden Röhren das Passieren des Roboters. Selbst einfache Hindernisse wie Sand und Kies können so manchen Roboter festsetzen, falls dieser sich mit einem Kettenantrieb bewegt.
Zu Beginn jedes Testszenarios können die Roboter in einem Sensor- und Manipulationstest einen Multiplikator erhalten – jeder Roboter maximal einen von zehn Multiplikatoren. Da während dieses Tests bereits die Uhr läuft muss ein Team entscheiden, ob es lieber mehr Wiederholungen in der Testbox durchführt oder mehr Zeit für einen höheren Multiplikator aufbringt. Nach Ende der 15-minütigen Runde erhalten autonome Roboter noch eine Extrazeit von fünf Minuten.
Erst beim Finale in Leipzig griffen die Organisatoren auf das vorangegangene Prinzip zurück: Die einzelnen Testboxen wurden zu einem großen Parcours verbunden und die Finalteams machten sich auf die Suche nach Opferpuppen.
(Bild: Christian Pfitzner)
Ein Wettkampf, ein Roboter, keine Reparatur
Die größte Änderung im Jahr 2016 betraf die Roboter selbst: Bisher war es möglich, im Wettkampf Roboter beliebig auszutauschen. So fuhren Teams in einer Runde mit einem kleinen Roboter, der besonders gut manövrieren kann, in einer anderen Runde dagegen mit einem großen schweren Roboter, der eines Roboterarm mitbringt. Einzelne Teams verwendeten auch schon gleichzeitig zwei Roboter: Ein Roboter geht autonom auf die Suche nach Opferpuppen, während ein weiterer Roboter von einem Bediener gesteuert in schwererem Gelände agiert.
Inzwischen müssen sich die Teams nicht nur auf einen Roboter festlegen: Ab dem ersten Wettkampftag ist es Ihnen zudem nicht mehr erlaubt, ihre Roboter zu modifizieren. Geht der Roboter während der Wettkampftage kaputt, darf er nur in Absprache mit der Jury repariert werden. Die neuen Regeln sollen bewirken, dass die Teams robustere Roboter einsetzen: Ein Roboter soll also nicht mehr spezialisiert eine Aufgabe lösen, sondern möglichst viel verschiedene Dinge erledigen können.
Niedrige Einstiegshürden für neue Teams
(Bild: Benjamin Schadde)
Im Vergleich zu den anderen Ligen der RoboCup-Community sind die Einstiegshürden für ein neues Team jedoch gering: "Eine fernsteuerbare Plattform mit einem Computer und Sensoren genügt, um im Wettbewerb ein paar Punkte einzufahren – so haben auch wir 2012 angefangen. Wir sehen, dass das Thema bei unseren Studierenden gut ankommt und haben eine höhere Nachfrage als Betreuungskapazitäten", berichtet Prof. Stefan May, Leiter des Labors für mobile Robotik an der TH Nürnberg.
Sein Team AutonOHM ist seit 2012 beim RoboCup im Bereich der Rettungsroboter aktiv. Der Team-Name entstand aus dem Wunsch, autonome Roboter zu bauen, kombiniert mit dem Namen der Technischen Hochschule Nürnberg, "Georg Simon Ohm", – heraus kam AutonOHM. Mit Roboter Georg startete AutonOHM sogleich bei den German Open: Basierend auf einem Volksbot-Bausatz des Fraunhofer Institutes bauten die Studierenden einen radgetriebenen Roboter, der zumindest ferngesteuert einen Großteil des Parcours befahren konnte. Das Team aus sechs Studierenden erreichte dabei dank ein paar gefundener Opfer den siebten Platz von zehn teilnehmenden Teams.
German Open
Bei den German Open sind meist folgende Teams aus Deutschland vertreten: Team Hector der TU Darmstadt, GetBot der Universität Paderborn und AutonOHM der TH Nürnberg. Darüber hinaus können sich bei den German Open alle Teams in der Rettungsrobotik für die Weltmeisterschaft qualifizieren. Häufig finden sich unter den Teilnehmern auch Teams aus dem Iran oder der Türkei. Selbst Schüler einer US-amerikanischen High School (Team Red Knight RoboRescu) haben schon teilgenommen.
Mit dem fast gleichen Roboter trat AutonOHM auch 2013 wieder bei an den German Open an; die Änderungen beschränkten sich auf kleinere Modifikationen. So bekam Georg eine schwenkbare Kamera und eine andere Aufhängung für den Laserscanner. Diese ermöglichte die Teilnahme am Finale und am Ende den zweiten Platz.
Dem Team war klar, dass Roboter Georg nur eingeschränkt für die Rettungsrobotik geeignet ist und so stieß 2014 Roboter Simon dazu. Er basiert auf einem Summit XL Chassis des Herstellers Robotnik und wurde ebenso wie Georg mit weiteren Sensoren ausgestattet. Auch Simon ist radgetrieben, kann aber durch seine größeren Reifen und den stärkeren Antrieben auch größere Hindernisse überfahren. Sowohl auf Simon als auch auf Georg läuft dabei annähernd die gleiche Software: Das Robot Operating System (ROS) ermöglichst die Kommunikation zu den Robotern über WLAN und kapselt die entwickelten Algorithmen.
Mit Roboter Simon landete AutonOHM auch im Jahr 2014 bei den German Open auf dem zweiten Platz – mit nur geringerem Abstand zum erstplatzierten Team Hector der TU Darmstadt. 2015 war es dann endlich so weit: Team AutonOHM setzte beide Roboter gleichzeitig als Team in der Arena ein – Simon teleoperiert und Georg als autonomen Retter – und holte sich so den Meistertitel.
Bausatz oder Eigenkonstruktion
Jedes Team legt bei der Entwicklung seiner Roboter etwas andere Schwerpunkte. So hat etwa das Team der TH Nürnberg seine Stärken im Bereich Software: Georg und Simon bestehen aus Bausätzen und werden für den Einsatz als Rettungsroboter nur mit weiteren Sensoren ausgestattet oder gering mechanisch modifiziert.
Im Kontrast dazu steht das Team der FH Kärnten CuasRRR von der Carinthia University of Applied Sciences aus Villach, Österreich: Das Team, das seit 2013 an den German Open teilnimmt, legt den Fokus zusätzlich auf die Mechanik. Entsprechend trat das Team bei den diesjährigen Meisterschaften in Magdeburg mit einem komplett selbst konstruierten Chassis an und landete mit Roboter RUDI in der Gesamtwertung auf Anhieb auf dem dritten Platz.
(Bild: Prof. Dr. Wolfgang Werth)
Abgesehen vom Vergleich im Wettbewerb bietet der RoboCup auch die Möglichkeit, sich auszutauschen. AutonOHM und CuasRRR trafen sich ab 2014 regelmäßig in Nürnberg und Villach und bereiteten sich zusammen auf den RoboCup vor. Für die Weltmeisterschaft bauten die Kärntner sogar einen Roboter für das Team aus Nürnberg: Roboter Schrödi ist der erste Roboter bei AutonOHM, der selbst in schwerstem Gelände fahren kann. Der panzer-ähnliche Roboter besitzt neben seinen Hauptantrieben Ausleger, um seine Standfläche bei Bedarf vergrößern zu können. So können ihn auch Treppen nicht aufhalten, mit seinem Manipulator kann er zudem Türen öffnen.
Die Finanzierung der Teams ist häufig schwierig: Beim RoboCup 2017 in Japan nimmt weder das Team AutonOHM noch CuasRRR teil. "Unsere finanziellen Mittel für die Teilnahme an Wettbewerben sind begrenzt. Wie bei den meisten RoboCup-Teams bestehen unsere Roboter aus viel Freizeit und Einsatz. Wir haben ein paar Hersteller, die uns mit vergünstigter Hardware versorgen, im Rahmen eines Sponsorings", so Martin Sereinig von CuasRRR.
Lieber ein kaputter Roboter als ein verletzter Feuerwehrmensch
Die TH Nürnberg trainiert regelmäßig zusammen mit der Berufsfeuerwehr Nürnberg den Ernstfall. Bei der Zusammenarbeit wird auch untersucht, wie ein Rettungsroboter die Arbeit der Feuerwehrleute verbessern kann. So ist bei Bränden in Lagerhallen häufig nicht bekannt, ob sich Gefahrstoffe nahe am Feuer befinden. Der Einsatzleiter muss nun entscheiden, was zu tun ist.
(Bild: Astrid Bergmeister)
Horst Gillmeier, Wachleiter der Berufsfeuerwehr Nürnberg, über seine Erfahrungen mit der Zusammenarbeit: "Manche Kollegen sind da skeptisch, aber es gibt auch Szenarien, in den wir als Einsatzkräfte kaum helfen können. Da riskiere ich lieber einen Roboter, als dass einer meiner Männer nicht mehr gesund nach Hause kommt."
Bis jede Feuerwehr einen metallenen Kollegen hat werden sicherlich noch Jahre vergehen. Die Roboter der TH Nürnberg sind alle nur eingeschränkt für einen echten Einsatz bereit: Die Elektronik hält hohen Temperaturen nicht stand; auch gegen Löschwasser sind die Roboter nicht gewappnet.
"Für einen praxisnahen Einsatz müssten wir deutlich mehr Geld in die Hand nehmen, um einen Roboter zu bauen, der nicht nach jedem Einsatz zerlegt und gewartet werden muss. Als Hochschule können wir deshalb kein fertiges Produkt liefern. Aber wir können mit unseren Ideen und Erfahrungen dazu beitragen, dass Roboter schneller vom Labor zu einem echten Einsatz kommen", sagt Professor Stefan May.
Ein Blick in die Zukunft
Aktuell beschränkt sich der Einsatz von Rettungsrobotern überwiegend auf die Dokumentation der Folgen von Unfällen und Unglücken. Damit Rettungsroboter zeitnah nach einer Katastrophe vor Ort zum Einsatz kommen können, müssten diese auch bei den Rettungskräften vorhanden sein. Dann sollte nicht nur ein Experte den Roboter steuern können, sondern ein Feuerwehrmann die Suche mit einem Roboter übernehmen. Darüber hinaus sollen die Roboter nach und nach immer mehr Aufgaben eigenständig lösen, so dass irgendwann ein vollautonomer Roboter eigenständig ein vorgegebenes Gebiet durchsuchen kann.
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