Mit einem vollautomatisierten Billardroboter realisierten vier Studenten ein ebenso innovatives wie spektakuläres Projekt.
Billard lebt von Präzision, Timing und dem richtigen Winkel. Wenige Sportarten verlangen so viel Konzentration und räumliches Denken. Die Faszination für virtuose Kugelstöße wächst noch einmal, wenn es kein Mensch ist, der die Billardkugeln meisterhaft trifft. Stattdessen agiert hier ein intelligentes System. Es erkennt die Kugeln auf dem Tisch, berechnet Stöße und führt sie selbstständig aus.
Genau das hat ein vierköpfiges Team am Campus Gütersloh der Hochschule Bielefeld (HSBI) möglich gemacht: Im praxisintegrierten Bachelorstudiengang Mechatronik/Automatisierung entstand in einem zweisemestrigen Projekt der vollautomatisierte Billardroboter B.R.E.A.K. Hinter der Abkürzung verbirgt sich „Billard-Roboter zur eigenständigen Ausführung von Kugelstößen“. Das System kann eigenständig gegen menschliche Spielerinnen und Spieler antreten. Für den Bau des Grundrahmens und weiterer Elemente setzte man auf die modulare Profiltechnik unseres item Systembaukastens.
System für maximale Flexibilität
Setzen Sie auf das Original und profitieren Sie von der Vielfalt des item Systembaukastens: Dank der durchgängigen Kompatibilität aller Komponenten erleben Sie eine völlig neue Dimension der Kreativität.
Vom Traum zur Umsetzung: So entstand B.R.E.A.K.
Alle Teammitglieder sind praxisintegrierte Studenten. Sie wechseln also kontinuierlich zwischen Theorie an der Hochschule und Praxis in einem Partnerunternehmen. Für Ben Donkervoort ging eine langgehegte Vision endlich in Erfüllung: „Ich hatte schon vor dem Studium die Idee, einmal einen Billardroboter zu bauen.“ Er übernahm die Teamleitung und kümmerte sich um Management und Konstruktion. Zusammen mit Antoine Angert (Software und Bilderkennung), Michael Wilhelmstroop (Elektronik und Konstruktion) und Niklas Hils (Elektronik und Software) wurde das Vorhaben im Studium zum konkreten Projekt: Im sechsten Semester stand die Erstellung des Lasten- und Pflichtenhefts an, im siebten Semester erfolgte die Umsetzung.
Das Team baute innerhalb einer Woche einen ersten Prototypen und bewies damit die Machbarkeit.
Dass B.R.E.A.K. überhaupt starten konnte, war keine Selbstverständlichkeit. Ursprünglich schätzte der Betreuer das Vorhaben als zu ambitioniert ein. Das Team baute daraufhin innerhalb einer Woche einen ersten Prototypen und bewies damit die Machbarkeit. Zugleich lieferte das Proof of Concept erste Erkenntnisse über die benötigte Steifigkeit im Rahmen und in den Führungen. Auch die errechnete Schlagkraft ließ sich überprüfen. Zusätzlich wurde mit öffentlich verfügbaren Trainingsdaten die Identifizierung und Positionserkennung der Billardkugeln erfolgreich erprobt. Dieses starke Engagement überzeugte den Professor und das Projekt bekam schließlich grünes Licht.
Funktionsweise des Billardroboters
„Zunächst erkennt der Roboter die Kugelposition über eine Kamera, die oben am Aufbau zusammen mit der Beleuchtung angebracht ist“, beschreibt der Projektleiter das Grundprinzip. Hierbei erzeugt die monochrome Kamera mit Blitzsequenzen in Blau, Grün und Orange ein Farbbild. Dann erkennt und klassifiziert ein Machine-Learning-Modell die Kugeln. Dabei wird die Linsenverzerrung automatisch korrigiert. Anschließend berechnet eine Software auf Basis einer Physiksimulation und der Spielregeln den optimalen Stoß. Spielen über Bande ist aktuell noch nicht möglich.
Wir können die Kraft genau definieren, also wie stark der Roboter spielen soll.
Die Ausführung übernimmt eine Portalmechanik, die ähnlich wie bei einem 3D-Drucker über den Billardtisch fährt und den Stoßwinkel ausrichtet. Den eigentlichen Stoß führt ein Schwungstößel aus, der über ein Planetengetriebe angetrieben wird: „Wir können die Kraft genau definieren, also wie stark der Roboter spielen soll“, erklärt Michael Wilhelmstroop. Linearmotoren sorgen hierbei für eine präzise Positionierung.
Hoher technischer Anspruch und herausfordernde Vorgaben
Kugelerkennung und Stoßplanung entwickelte das Team mit der Programmiersprache Python. Damit aus dem berechneten Stoß eine saubere Bewegung wird, übernimmt die Automatisierungssoftware TwinCAT die Steuerung. Für Sicherheit im Spielbetrieb kommen zwei Sicherheitslaserscanner zum Einsatz: Sobald sich jemand dem Tisch in einem Radius von 1,5 Metern nähert, hält der Billardroboter an. Dabei signalisieren LEDs den Sicherheitsstatus. Zusätzlich deckt ein Unterkriechschutz den Bereich unterhalb des Tisches ab.
Grundsätzlich sollte der Tisch transportierfähig sein, von vier Personen getragen werden können sowie durch Türen, Aufzüge und in einen Transporter passen.
Grundsätzlich sollte der Billardtisch mit Roboter transportierfähig sein, von vier Personen getragen werden können sowie durch Türen, Aufzüge und in einen Transporter passen. Das Team integrierte unter anderem zwei elektronische Wasserwaagen, damit der Tisch nach jedem Aufbau zuverlässig neu ausgerichtet werden kann. Trotz dieser herausfordernden Rahmenbedingungen erreichte man die selbstgesteckte Zielmarke: 80 Prozent der Kugeln werden versenkt.
Modularer Aufbau für den Billardroboter mit item Profiltechnik
Angesichts der Anforderungen mussten Änderungen schnell umsetzbar sein. Auch deshalb kommen item Profile für Grundrahmen, Portalstruktur und Kameraarm zum Einsatz: „Der item Systembaukasten ermöglicht es uns hervorragend, Anpassungen vorzunehmen. Und Projektgruppen, die den Billardroboter nach uns nutzen, können später ebenfalls leicht etwas verändern“, sagt Ben Donkervoort. „Uns bringt der modulare Aufbau maximale Flexibilität, einen schnellen Auf- und Abbau sowie minimiertes Gewicht.“ Ein Stahlrahmen hingegen wäre zu schwer und unflexibel gewesen.
Der modulare Aufbau mit item bringt uns maximale Flexibilität, einen schnellen Auf- und Abbau sowie minimiertes Gewicht.
Wie nützlich der modulare Ansatz in der Praxis ist, zeigte sich beim Wechsel des Antriebskonzepts mitten im Projekt. Anfangs war der Antrieb mit Kugelumlaufspindeln geplant. Als sich ein günstigeres und funktional überlegenes Konzept anbot, waren andere Aluminiumprofile gefragt. Sie wurden von item direkt nachgeliefert und ließen sich mühelos integrieren: „Die Antworten von item kamen immer sehr schnell. Die gesamte Unterstützung hat uns einfach stark vorangebracht“, fasst Ben Donkervoort die Zusammenarbeit mit uns zusammen.
Die Billard-Partie geht in die nächste Runde
B.R.E.A.K. reiht sich am Campus Gütersloh in eine echte Tradition ein. Der Cocktailautomat „Caipi“ und die automatische Dartscheibe „BullsEye“ entstanden ebenfalls mit unserer Profiltechnik und werden von Folgegruppen kontinuierlich weiterentwickelt. Genauso ist es auch für B.R.E.A.K. geplant. Dank der Nutensteine lassen sich jederzeit neue Module ergänzen. Langfristig ist die Unterstützung von 9-Ball und weiteren Spielmodi vorgesehen.
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