Liebe Leserin, lieber Leser

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3 Liebe Leserin, lieber Leser Seit mehr als fünf Jahren steht Helveticrobot für Innovation & Teamwork. Gymnasiasten der Bündner Kantonsschule entwickeln in kleinen Teams autonome Roboter und lösen dabei spannende Probleme aus den Bereichen Mechanik, Elektrotechnik und Informatik. Die Schüler erlernen bei Helveticrobot die Grundlagen der Technik und sammeln gleichzeitig auch wertvolle Erfahrungen in Teamwork und Projektmanagement. Die Schüler haben so die Möglichkeit, sich bereits während ihrer Ausbildung am Gymnasium auf ein kommendes Studium vorzubereiten. Viele der ehemaligen Schüler bei Helveticrobot haben sich für ein technisches Studium in den Bereichen Maschinenbau, Elektrotechnik und Informatik entschieden die Ingenieure von morgen. Mit ihren selbst entwickelten Robotern machen die Schüler jährlich bei mehreren internationalen Wettbewerben mit. Die erfahrensten Schüler nehmen jeweils im Sommer an der Robotik-Weltmeisterschaft «RoboCup Junior» teil, bei der Helveticrobot im Sommer 2011 zum ersten Mal Weltmeister geworden ist. Auch im Schuljahr 2011/2012 bereiten sich wieder ein knappes Dutzend Schüler auf die beiden Wettbewerbe «RobotChallenge» und «RoboCup Junior» vor. Um diese beiden Projekte finanzieren zu können und auch weiterhin Schüler für ein Ingenieurstudium zu begeistern, ist Helveticrobot auf Ihre Unterstützung angewiesen. Wir freuen uns, wenn Sie uns mit einem Gönner- oder Sponsoringbeitrag unterstützen möchten. Freundliche Grüsse Benedikt Köppel Präsident und Gründer Helveticrobot Bündner Kantonsschule Arosastrasse Chur info@helveticrobot.ch

4 Mentoring das Erfolgsrezept 6000 Ingenieure und mehr als Informatiker fehlen der Industrie in der Schweiz. Helveticrobot hat sich zum Ziel gesetzt, diesem Trend entgegenzuwirken. Durch eine gezielte Ausbildung und Mentoring werden Gymnasiasten im technischen Bereich gefördert und für ein Studium motiviert. Nach dem ersten Erfolg am RoboKing 06 war für die Gründer von Helveticrobot klar: Sie mussten ihr erarbeitetes Wissen über Robotik weitergeben. Sie integrierten Helveticrobot deshalb in die Bündner Kantonsschule. Dieser Schritt bildete die Basis des späteren Erfolgs. Neue, interessierte Schüler stiessen zum Team, wurden in das Thema Robotik eingeführt und auf weitere Wettbewerbe vorbereitet. Heute werden im Team Helveticrobot jedes Jahr rund 10 Schüler mit den Grundlagen der Robotik vertraut gemacht. Im Verlauf der ersten vier Monaten bauen die Schüler «Dank Jonas Einführung ins CAD sind wir jetzt imstande, digitale 3D-Modelle und technische Zeichnungen unseres Prototyps zu erstellen. Das hilft uns, Planungsfehler frühzeitig zu erkennen.» erste eigene Roboter und nehmen bereits am internationalen Wettbewerb «RobOlympics» in Rapperswil teil. Albert Planta, Mitglied des Challengeteams Rund die Hälfte der Aspiranten schafft den Sprung ins «Challengeteam». An diesem Punkt setzt das Mentoring an: Regelmässig geben Studenten aus Maschinenbau und Elektrotechnik Einführungen in spezifische Themen und coachen die Teams beim Bau der Roboter. Die Jugendlichen werden zum selbstständigen Arbeiten animiert, können aber auch vom Wissen und der Erfahrung der älteren Teammitglieder profitieren.

5 RoboCup die Weltmeisterschaft Eine Teilnahme bei RoboCup Junior ist für jeden Roboterbauer ein absoluter Höhepunkt. Ein ganzes Jahr lang bereiten sich Schüler aus aller Welt auf das grosse Kräftemessen vor. Am RoboCup Junior 2011 in Istanbul wurde Helveticrobot zum ersten Mal Weltmeister! RoboCup und RoboCup Junior RoboCup ist der weltweit grösste Robotik- Event. Der internationale Wettbewerb wird seit 1997 jährlich von der RoboCup Federation veranstaltet. Ziel ist es, die Forschung in Robotik und künstlicher Intelligenz voranzutreiben. Im Jahre 2050 sollen Teams aus autonomen Robotern gegen menschliche Teams Fussball spielen. Nebst der Soccer-Liga wird auch eine Rescue League geführt. In der Rescue-Disziplin müssen die Roboter durch ein unbekanntes Gelände navigieren und darin Objekte, zum Beispiel verletzte Personen, erkennen und bergen. RoboCup Junior ist eine Tochterorganisation von Robo- Cup und veranstaltet Wettbewerbe für Schüler, die das 20. Lebensjahr noch nicht erreicht haben. Bei RoboCup Junior werden ebenfalls die Disziplinen Soccer und Rescue ausgetragen. RoboCup Junior will Jugendliche für Robotik motivieren und in die Technik einführen. Helveticrobot bei RoboCup Junior Seit dem Jahr 2009 hat Helveticrobot jedes Jahr an der RoboCup Junior Weltmeisterschaft teilgenommen. Dabei konnte sich das Team kontinuierlich verbessern. Im ersten Jahr mussten sich die fünf Schüler aufgrund fehlender Erfahrung noch mit einem 31. Rang begnügen. Sie versuchten, aus den gemachten Fehlern zu lernen und diese nicht zu wiederholen. Das gelang ihnen: Mit einem dritten Rang in der Einzelwertung im Jahr 2010 und dem Gewinn des Weltmeistertitels im Teamwettkampf im Jahr 2011 erreichte Helveticrobot bei RoboCup Junior schliesslich die grössten Erfolge der Vereinsgeschichte. Auch im Jahr 2012 wird Helveticrobot wieder an der Weltmeisterschaft vertreten sein. Nachdem das Team in der Kategorie Rescue den Weltmeistertitel erreicht hat, sucht es im nächsten Jahr in der Disziplin Soccer eine neue Herausforderung.

6 RoboCup Junior 2012 die Herausforderung Das Weltmeisterschaftsteam von Helveticrobot sucht nach dem Weltmeistertitel in der Disziplin Rescue die ultimative Herausforderung: Soccer. Roboterfussball gilt als Königsdisziplin von RoboCup Junior und erfordert höchste Präzision in allen Bereichen der Robotik. Komplexere Aufgabenstellung In der Disziplin Soccer treten zwei Teams mit jeweils zwei Robotern gegeneinander an. Allein die Tatsache, zwei statt einem Roboter zu bauen, bedeutet einen wesentlich grösseren Finanz- und Arbeitsaufwand als bisher. Hinzu kommt eine grosse Dynamik: Die Roboter müssen sich in jeder Situation zurechtfinden und orientieren können. Sie kommunizieren untereinander, um die richtige Aufstellung und Strategie zu koordinieren. Die Roboter sollen zudem auf jeden erdenklichen Gegner eingestellt sein. Hauptsächlich geht es in der Disziplin Soccer darum, einen Roboter zu bauen, der sich selbstständig auf dem Spielfeld orientieren, den Ball erkennen und kontrollieren und natürlich Tore schiessen kann. Das Spielfeld ist durch Wände begrenzt, je nach Kategorie gibt es auch eine Out-Linie. Der Ball sendet pulsierendes Infrarot- Licht aus, so dass er mit den Infrarot-Sensoren des Roboters erkannt werden kann. Zwölf Monate Vorbereitung Um den grossen Aufwand bewältigen zu können, hat das Weltmeisterschaftsteam von Helveticrobot sofort nach der Endrunde 2011 in Istanbul mit den Vorbereitungen für die Weltmeisterschaft 2012 begonnen. Zusätzlich wurde ein fünftes Teammitglied aufgenommen: Der 16-jährige Michael Baumann aus Bonaduz hat sich dank überragender Leistungen im Challengeteam für die Teilnahme an der Weltmeisterschaft empfohlen. Die Weltmeisterschaft 2012 geniesst bei Helveticrobot höchste Priorität. Weil es sehr schwierig ist, mit nur einem Jahr Vorbereitungszeit gegen die arrivierten Soccer-Teams zu bestehen, steht neben dem Erreichen einer guten Klassierung auch das Erzielen persönlicher Fortschritte der Teilnehmer im Vordergrund. Die Planung eines Roboters von Anfang an erfordert ein kritisches Ingenieursdenken, das den Schülern in ihrer späteren Berufslaufbahn zugutekommen wird. Für

7 den Soccer-Roboter wird unter anderem eine komplett neue Elektronik entwickelt. Das Planen, Designen und Bestücken eigener Platinen fördert das Verständnis der verwendeten Bauteile enorm. Als grosse Hilfe kann das Weltmeisterschaftsteam von Helveticrobot auf die Unterstützung der ETH Zürich zählen. Bei schwierigen Fragestellungen und unvorhergesehenen Problemen dürfen die fünf Kantonsschüler am Autonomous Systems Lab des Institute of Robotics and Intelligent Systems der ETH vorbeigehen. Die Zusammenarbeit mit erfahrenen Robotikspezialisten der ETH ermöglicht einen Einblick in deren Arbeit und motiviert die Schüler für ein künftiges Studium an der ETH. Grosse Anforderungen ans Material Ein Roboter in der Disziplin Soccer besteht aus drei wesentlichen Komponenten: Einer Antriebseinheit, einer Vorrichtung zur Ballannahme und kontrolle sowie einer Schussvorrichtung. Die Antriebseinheit besteht aus drei in einem 120 -Winkel zueinander ausgerichteten Motoren mit sogenannten Omniwheels. Diese spezielle Anordnung der Räder ermöglicht das Bewegen des Roboters in jegliche Richtungen ohne eine Drehung um die eigene Achse zu erfordern. Zusätzlich zu den grundlegenden Komponenten besitzen Soccer-Roboter sehr viele Sensoren. Diese dienen der Erkennung des Gegners, der Spielfeldbeschränkungen, des Balles und der Tore. Gewichts- und Grössenbeschränkungen zwingen die Entwickler von Soccer-Robotern zum kompromisslosen Einsatz von high-end Komponenten: Die Roboter müssen einerseits den enormen Belastungen beim Zusammenstoss mit gegnerischen Robotern standhalten, dürfen andererseits aber Maximalgewicht und grösse nicht überschreiten. Auch beim Antrieb der Roboter ist höchste Qualität gefordert: Die Motoren müssen genügend Drehmoment aufweisen, um die Roboter innert kürzester Zeit zu beschleunigen. Das Team Die Mitglieder des Weltmeisterschaftsteams sind die erfahrensten der aktiven Roboterbauer bei Helveticrobot und bereiten sich jeweils ein ganzes Jahr lang auf den Wettbewerb vor. Michael Baumann, 16 Jahre alt: Er wurde im Sommer 2011 ins WM-Team aufgenommen. Seither beschäftigt er sich mit der Programmierung der Roboter. In der Freizeit programmiert er gerne für Windows und Linux. Simon Gredig, 18 Jahre alt: Nebst Planung und Bau der Roboter kümmert er sich um Medien und Sponsorenarbeit. Er hat alle Texte in dieser Mappe verfasst. Später möchte er Maschinenbau studieren. Oliver Kirsch, 19 Jahre alt: Als Chefmechaniker trägt er die Verantwortung für unsere Roboter. Er arbeitet auch bei der Elektronik der Roboter mit. Nach der Schule will er Maschinenbau studieren. Stefan Lippuner, 19 Jahre alt: Er ist zuständig für Elektronik und Programmierung der Roboter. Er absolviert zurzeit ein Praktikum bei der Hamilton in Bonaduz und will später Elektrotechnik an der ETH studieren. Michel Makhlouf, 17 Jahre alt: Er ist verantwortlich für die Planung und Umsetzung einzelner Funktionen der Roboter. Nebst der Programmierung kümmert er sich um Teile der Elektronik. Die Evaluation verschiedenster Sensoren und Bauteile kostet relativ viel Geld. Hochwertige Komponenten sind zudem teurer als die bisher in der Kategorie Rescue verwendeten. Aus diesem Grund ist Helveticrobot für die Weltmeisterschaft 2012 mehr denn je auf Sponsoren angewiesen.

8 RoboCup Junior der Steigerungslauf Vom 31. Rang im Jahr 2009 zum ersten Rang im Jahr 2011: Helveticrobot hat in den letzten drei Jahren eine grossartige Entwicklung erlebt. Anhaltende Innovationskraft und stetig wachsende Erfahrung haben sich als unschlagbare Kombination erwiesen. RoboC up Junior 2011 in Istanbul Der Weltmeistertitel war bei unserer dritten WM-Teilnahme unser erklärtes Ziel. Nach dem dritten Platz im Vorjahr hatten wir gemerkt, dass wir mit der absoluten Weltspitze mithalten können. Indem wir versuchten, unsere Erfahrungen vom letzten Jahr in neue Ideen umzusetzen und gemachte Fehler nicht zu wiederholen, wollten wir einen noch besseren Roboter bauen. Dies gelang uns dank eines völlig neuen Navigationskonzeptes: Hatte sich unser Roboter seinen Weg 2010 noch mit einer einfachen Wandfolge gesucht, kannte er 2011 seine genaue Position im Labyrinth. Dank exakt definierter Fahrstrecken und Berührungssensoren zur Ausrichtung am Spielfeldrand konnte er das Spielfeld Element für Element durchqueren. Als besonders innovative Lösung montierten wir unten am Roboter einen Propeller, der kleine Hindernisse rasch aus dem Weg blies. Im Vorjahr hatten wir noch grosse Mühe gehabt mit Zahnstochern, auf denen unser Roboter jegliche Bodenhaftung verloren hatte. Dank des Propellers mussten wir uns im Jahr 2011 keine Gedanken mehr darüber machen. Mit diesem Roboter haben wir in Istanbul an RoboCup Junior 2011 den Weltmeistertitel gewonnen. In der Kategorie Rescue B muss sich der Roboter in einem zweistöckigen Labyrinth zurechtfinden. Seine Aufgabe ist es, das ganze Spielfeld abzufahren und dabei sogenannte «Opfer» in Form von Heizplättchen aufzuspüren. Das Spielfeld stellt ein Trümmerfeld nach einer Naturkatastrophe wie beispielsweise einem Erdbeben dar und die Heizplättchen verletzte Menschen, die vom Roboter geborgen werden sollten. Das richtige Erkennen der Opfer ist jedoch nicht die einzige Herausforderung: Der Übergang von der ersten in die zweite Ebene erfolgt über eine 25 steile Rampe. Während der Fahrt warten auf den Roboter Schwellen, sogenannte «Speedbumps», die er unbeschadet überfahren muss, und Ziegelsteine, denen er ausweichen muss. Kleine Gegenstände wie Zahnstocher auf dem Boden erschweren die Fahrt zusätzlich. Ausserdem befinden sich in Sackgassen schwarze Flächen auf dem Spielfeld, auf denen sich der Roboter nicht länger als fünf Sekunden aufhalten darf. Punkte verteilt werden für das richtige Erkennen von Opfern, für das Abfahren einzelner Elemente des Spielfeldes und für das problemlose Meistern der Rampe. RoboCup Junior 2010 in Singapur Auch schon im Vorjahr nahmen wir in der Disziplin Rescue B teil. Für die Weltmeisterschaft in Singapur bauten wir einen kleinen und wendigen Roboter, um schnell durchs Labyrinth manövrieren zu können. Für den Antrieb sorgten zwei kleine Getriebemotoren. Mit Hilfe von Infrarot-Distanzsensoren mass der Roboter stets die Distanz zur Wand und nahm selbständig entsprechende Kurskorrekturen vor. Die Wärme ausstrahlenden «Opfer» wurden mit Infrarotsensoren erkannt, die wir aus handelsüblichen Bewegungsmeldern ausgebaut und

9 weiterentwickelt hatten. Ein selbst konstruierter Neigungssensor meldete dem Roboter, sobald er sich auf der Rampe befand. Helligkeitssensoren, ebenfalls selbst entwickelt, massen die Reflexionseigenschaft des Bodens und erkannten somit, ob sich der Roboter auf einer schwarzen Fläche befand. An der Weltmeisterschaft in Singapur funktionierte unser Roboter auf Anhieb perfekt. Wir führten das Klassement unserer Kategorie während der ersten beiden Tage souverän an. Erst am letzten Tag, als die Fahrt durch viele zusätzliche Hindernisse erschwert wurde, hatten wir Mühe, den Roboter auf die veränderten Bedingungen einzustellen. Weil unsere Konkurrenten gleichzeitig besser in Fahrt kamen, landeten wir schlussendlich hinter dem japanischen und dem iranischen Team auf dem dritten Platz. RoboCup Junior 2009 in Graz Bei unserer ersten Teilnahme an RoboCup Junior Rescue mussten die Roboter autonom einer schwarzen Linie folgen. Dabei galt es, auf den Boden aufgeklebte silberne und grüne Opfer zu erkennen und gleichzeitig Hindernissen auszuweichen. Direkt nach der erfolgreichen Qualifikation in Wien begannen wir mit den Vorbereitungen für die Weltmeisterschaft in Graz. Der WM- Roboter wurde mit Hilfe eines CAD-Modells von Grund auf neu geplant. Die Komponenten wurden mit einer CNC-Fräse hergestellt. Unser Wettbewerbs-Roboter bestand aus zwei Ebenen: Auf der unteren Ebene waren zwei Gleichstrommotoren, mehrere Touchsensoren und ein selbst entwickelter Liniensensor angebracht, auf der oberen Ebene befanden sich die komplette Steuerung, eine LED-Anzeige sowie Distanzsensoren zur Navigation. An unserer ersten Weltmeisterschaft in Graz gehörten wir noch nicht zur absoluten Weltspitze. Mit unserem Roboter erreichten wir den weltweit 31. Rang. Mit Infrarot-Distanzsensoren misst der Roboter Distanzen zu Hindernissen und orientiert sich auf dem Spielfeld. Die Steuerungselektronik besteht aus einem Mainboard mit 8 Bit Mikrocontroller. Zwei Getriebemotoren mit Aluminium-Rädern treiben den Roboter an. Ein Lithium-Polymer- Akkumulator versorgt den Roboter mit Strom. Ein Spannungsregler erzeugt daraus die benötigte Spannung für die Steuerungselektronik. Mehrere Reflexkoppler befinden sich unter dem Roboter und dienen der Erkennung der Linie und Opfer. Mit den Tastern erkennt der Roboter eine erfolgte Kollision und kann darauf reagieren.

10 RobotChallenge die Europameisterschaft Das Challengeteam von Helveticrobot beteiligt sich im März 2012 zum zweiten Mal an der RobotChallenge in Wien. Für die Europameisterschaft planen und bauen die fünf Schüler selbstständig einen Roboter und wollen damit einen Spitzenplatz erreichen. Wettbewerb Die RobotChallenge ist die Europameisterschaft und zugleich einer der weltweit grössten Wettbewerbe für selbst gebaute, autonome und mobile Roboter. Über 500 Roboter aus der ganzen Welt werden zur nächsten RobotChallenge im März 2012 in Wien erwartet. Die RobotChallenge wird seit 2004 von der INNOC, der Österreichischen Gesellschaft für innovative Computerwissenschaften, organisiert und durchgeführt. Ziel des Wettbewerbs ist es, junge Talente für den kreativen Umgang mit innovativen Technologien sowie Forschung und Wissenschaft im Allgemeinen zu begeistern. Aufgabenstellung In der Disziplin Puck Collect treten je zwei Roboter von denen dem einem die Farbe Rot, dem anderen Blau zugeteilt wird gegeneinander an. Auf dem fast 8 Quadratmeter grossen Spielfeld sind rote und blaue Scheiben in der Grösse von Teelichtern (Pucks) verteilt. Ziel ist es, möglichst schnell alle Pucks der eigenen Farbe einzusammeln und zur eigenen, farblich gekennzeichneten Homebase zu bringen. Die Navigation auf dem Spielfeld sowie das Entdecken, Einsammeln und Sortieren der Pucks erfordert ein besonderes Zusammenspiel von Sensorik, Mechanik und künstlicher Intelligenz.

11 RobotChallenge 2011 Im März 2011 nahmen wir zum ersten Mal an der RobotChallenge teil. Für die Europameisterschaft in Wien bauten wir unseren ersten «richtigen» Roboter. Während wir zuvor vor allem mit Legorobotern arbeiteten, entwickelten wir für die RobotChallenge einen Roboter auf Basis der Elektronik vom WM-Roboter aus dem Jahre Während der viermonatigen Entwicklungszeit standen uns die Mitglieder des WM-Teams mit technischen Ratschlägen zur Seite und halfen uns mit wertvollen Tipps. Von den ETH-Studenten Jonas Müller und Benedikt Köppel erhielten wir ausserdem mehrere Einführungen in das Erstellen von CAD-Modellen und die Funktionsweise der verwendeten Elektronikbauteile. Während des Wettbewerbs zeigte sich in der Test- und Abstimmungsphase auf dem Wettkampf-Spielfeld, dass unsere empfindlichen Farbsensoren nicht mit den stark reflektierenden Folien der Homebases und den diffusen Lichtverhältnissen in der Wettbewerbshalle zurechtkamen. Somit waren eine präzise Aussortierung der Pucks und die Erkennung unserer eigenen Homebase nur bedingt gewährleistet. Diese Probleme konnten wir im Verlaufe des Vormittags mit einigen Anpassungen beheben. Trotzdem kassierten wir aufgrund dieser Ungenauigkeiten anfangs eine ärgerliche Niederlage. Schlussendlich fehlte uns nur dieser einzige Sieg zur Qualifikation für die Finalrunde. Wir belegten den sechsten Platz in unserer Gruppe, was leider knapp nicht für ein Weiterkommen reichte. Trotz des Ausscheidens war das ganze Projekt für uns ein grosser Erfolg: In der Vorbereitung und während des Wettbewerbs lernten wir im Team zu arbeiten und Probleme gemeinsam zu lösen. Ausserdem konnten wir uns grosses Wissen über die Mechanik, die Elektronik und die Programmierung von Robotern aneignen. RobotChallenge 2012 Wir werden auch im Jahr 2012 wieder an der RobotChallenge in Wien teilnehmen. An unserem Gesamtkonzept nehmen wir nur geringfügige Änderungen vor. Hauptsächlich konzentrieren wir uns darauf, die gemachten Das Team Die Mitglieder des Challengeteams bereiten sich zurzeit auf die Europameisterschaft in Wien vor, an der sie im März 2012 einen Spitzenplatz erreichen möchten. Gian Jörimann, 16 Jahre alt: Er arbeitet vor allem an der Mechanik und teilweise an der Elektronik der Roboter. Er möchte nach der Schule ein Ingenieurstudium an der ETH beginnen. Albert Planta, 18 Jahre alt: Er kümmert sich um Planung und Bau der Roboter. Nach der Schule möchte er Maschinenbau an der ETH studieren, wofür er im Team Erfahrungen sammelt. Marco Ruggia, 17 Jahre alt: Er hat in der Vergangenheit schon mehrere Programmiersprachen gelernt und interessiert sich nebst der Programmierung auch für den Bau von Robotern. Florian Schäfer, 16 Jahre alt: Er kümmert sich um die Strategie des Roboters und deren Umsetzung. Das Programmieren hat er mit Lego NXT während der Vorbereitung auf RobOlympics erlernt. Philipp Täschler, 18 Jahre alt: Er arbeitet an Planung und Bau der Roboter. Von seinem Engagement im Team erhofft er sich, wertvolle Erfahrungen für sein späteres Ingenieurstudium sammeln zu können. Fehler nicht zu wiederholen und entsprechende Verbesserungen vorzunehmen. Insbesondere von einer Vereinfachung des Sortiermechanismus erhoffen wir uns eine wesentliche Effizienzsteigerung beim Sortieren der Pucks. Anfangs des Schuljahres 2011/2012 werden erneut neue Mitglieder aufgenommen. Diese bilden das Juniorteam und erlernen bis im Dezember 2011 die Grundlagen der Robotik. Anschliessend stossen die Besten von ihnen ebenfalls zum Challengeteam.

12 RoboKing wie alles begann Im Jahr 2005 gründeten Benedikt Köppel und Jonas Müller Helveticrobot. Nach ersten Teilnahmen bei RoboKing in Deutschland konnten sie ihr Team als wissenschaftliche Projektgruppe in die Bündner Kantonsschule integrieren. Seither brachte Helveticrobot schon einige Ingenieure hervor. Im Jahr 2005 stiessen die zwei Kantonsschüler in einem Technologiemagazin auf einen Artikel über Robotik und waren sofort von der Technik fasziniert. Die zwei gründeten kurzerhand in einer Garage das Team Helveticrobot und nahmen somit eine Vorreiterrolle in der Schweiz ein. Zu Beginn waren sie komplett unabhängig von der Bündner Kantonsschule, finanzierten ihre Projekte grösstenteils privat und wurden nur vom Verein Ehemaliger der Bündner Kantonsschule finanziell unterstützt. In der Freizeit eigneten sie sich alles technische Know-how an und bereiteten sich auf den ersten RoboKing Wettbewerb vor. Bei der ersten Teilnahme bei RoboKing erreichten sie gleich den 7. von 23 Rängen. Das motivierte sie weiterzumachen. Bald realisierten «Der Roboter des Teams Helveticrobot erwies sich als besonders erfolgreich. Die Gegner konnten den Punktevorsprung der Schweizer nicht mehr aufholen.» sie auch, dass sie ihr Wissen und ihre Erfahrung an jüngere Kantonsschüler weitergeben können. Aus diesem Grund integrierten sie das Robotikteam Helveticrobot als Projektgruppe in die Bündner Kantonsschule. Heise Online, 27. November 2006 RoboKing Der Wettbewerb RoboKing wurde bis 2008 jährlich von der Technischen Universität Chemnitz für Schüler aus Deutschland und der Schweiz organisiert. Die Philosophie der Technischen Universität Chemnitz war es, das Technikinteresse der Jugendlichen zu wecken und zu verstärken. Robo- King sollte helfen, dem Ingenieurmangel in Deutschland und in ganz Europa entgegenzuwirken. Die Teilnehmer hatten ungefähr acht Monate Zeit, um jeweils eine

13 neue Aufgabe zu lösen. Die technischen Vorgaben wurden minimal gehalten, so dass bei Robo- King die Roboter sehr frei konstruiert werden konnten. Nach rund fünf Monaten wurden die Roboter ein erstes Mal verglichen. Bei dieser Vorausscheidung mussten sich die Teilnehmer für die Finalrunde qualifizieren. Die ersten 16 Teams durften an den Finalspielen teilnehmen, die jeweils an der Messe für Informationstechnik CeBIT in Hannover stattfanden. Helveticrobot hat in den Jahren 2006 bis 2008 drei Mal an den RoboKing Wettbewerben teilgenommen. Seit 2008 wird RoboKing nicht mehr veranstaltet. Kreativität und Innovation Ein Jahr nach der Gründung war das Team Helveticrobot bereits auf fünf Schüler angewachsen. Die Aufgabe für RoboKing 07 hiess «Steinschlag im Gebirge». Auf einem 2 x 3 Meter grossen Spielfeld musste ein gestellter Steinschlag in Form von Tischtennisbällen geräumt werden. Der Roboter durfte die eingesammelten Bälle entweder auf die gegnerische Spielfeldhälfte schieben oder in seiner eigenen Basis ablegen. In der Vorbereitungszeit der Qualifikationsrunde entstand die Idee, die Bälle mit Hilfe eines Ventilators zum Gegner zu blasen. Mit zwei Ventilatoren konnte der Roboter jeden Ball auf die gegnerische Spielfeldhälfte befördern. An der Qualifikationsrunde in Chemnitz war unsere Methode weitaus die erfolgreichste. Wir konnten innert kürzester Zeit die komplette Aufgabe lösen. Ein souveräner Sieg über die 66 Gegner und die direkte Qualifikation für das Finale waren die Folge. Da unser Lösungsweg den Wettbewerb zu stark vereinfachte, wurde der Einsatz von Ventilatoren für die Finalrunde verboten. Wir mussten in den verbleibenden Wochen bis zum Final also einen komplett neuen Roboter entwickeln. Der neue Roboter konnte die Tischtennisbälle mittels eines Saugmechanismus aufnehmen. Trotz der sehr knappen Vorbereitungszeit erreichten wir am Finale an der CeBIT 2007 doch noch den sechsten Rang! Erfolgsstories Seit der Gründung im Jahr 2005 arbeiteten schon viele Gymnasiasten bei Helveticrobot mit und konnten dabei wichtige Erfahrungen für ihr späteres Studium sammeln. Auch in Zukunft wird ein Grossteil der Maturanden unseres Teams ein Ingenieur- oder Informatikstudium absolvieren. Damit leistet Helveticrobot einen Beitrag, den Ingenieurmangel in der Schweiz zu verringern. Darauf sind wir stolz. Benedikt Köppel: Der Gründer und aktuelle Präsident von Helveticrobot erlangte im Sommer 2010 den Bachelor in Elektrotechnik und Informationstechnologie an der ETH Zürich. Er coacht das WM-Team. Jonas Müller: Der Co-Gründer war während seiner Zeit bei Helveticrobot Chefmechaniker und absolviert heute einen Masterstudiengang in Maschinenbau und Verfahrenstechnik an der ETH Zürich. Fabio Camichel: Als Mitglied erster Stunde plante und programmierte er von 2006 bis 2008 die Roboter. Anschliessend begann er ein Studium an der Hochschule St. Gallen in Law & Economics. Markus Gartmann: Als Mechaniker baute er für die Wettbewerbe RoboKing 2007 und 2008 die Roboter. Im Herbst 2008 begann er ein Studium als Maschineningenieur an der ETH Zürich. Gian Claudio Köppel: Er kümmerte sich um die Elektronik und Programmierung der Roboter. Seit Herbst 2010 studiert er Elektrotechnik an der Hochschule für Technik in Rapperswil. Thomas Gautschi: Er beschäftigte sich mit der Elektronik und der Programmierung der Roboter. Im Herbst 2011 beginnt er ein Studium in Elektrotechnik an der ETH Zürich.

14 Technisches Glossar Wir haben versucht, die Texte in der vorliegenden Informationsbroschüre möglichst verständlich zu gestalten. Ganz ohne Fachbegriffe kamen wir jedoch nicht aus. Hier finden Sie eine Zusammenstellung wichtiger Begriffe aus Mechanik, Elektronik und Programmierung. Mechanik CAD: (unten links) Mit Computer Aided Design werden Bauteile zwei- oder dreidimensional am Computer gezeichnet und zu fertigen Objekten zusammengesetzt. Dies ermöglicht es, Probleme frühzeitig erkennen zu können und bereits zu einem frühen Zeitpunkt ausgereifte mechanische Raffinessen zu entwerfen. CNC: CNC steht für Computerized Numerical Control. CNC-Fräsen stellen ein Bauteil mit höchster Genauigkeit vollautomatisch her. Ein Computer liest das CAD und steuert den Fräskopf. Die Fertigung unserer im CAD gezeichneten Bauteile wurde von einer lokalen Firma für uns übernommen. Differentialantrieb: Normalerweise wird in der Robotik der Differentialantrieb verwendet. Dabei werden zwei unabhängige Motoren links und rechts des Roboters angebracht. So kann der Roboter gerade Strecken und Kurven fahren. Ausserdem kann er sich an Ort drehen. Getriebemotoren: Diese mit Gleichstrom betriebenen Motoren werden oft in der Robotik verwendet. Die Ansteuerung dieser Motoren ist einfach. Mittels Encoder kann der gefahrene Weg des Motors bestimmt werden. Holonomer Antrieb: (unten Mitte links) Beim holonomen Antrieb werden drei spezielle Räder, sogenannte Omniwheels, im Winkel von 120 zueinander befestigt. Die Omniwheels können nicht nur vorwärts drehen, sondern auch seitwärts rollen. Dies ermöglicht es dem Roboter, in alle Richtungen zu fahren, ohne sich drehen zu müssen. Vor allem im RoboCup Soccer wird diese Variante des Antriebs sehr häufig verwendet. Schrittmotoren: (unten Mitte rechts) Ein Schrittmotor dreht sich im Gegensatz zu Getriebemotoren immer um einen exakt definierten Winkel. Dies ermöglicht es, geplante Strecken sehr genau zu fahren. Wir haben bei mehreren RoboKing Wettbewerben solche Schrittmotoren verwendet. Elektronik ATMEL ATmega32: (unten rechts) Der ATmega32 ist ein von ATMEL entwickelter Mikrocontroller. Er hat mehrere digitale Input- und Output-Pins und mehrere analoge Inputs. Damit kann er Sensoren auswerten, externe Geräte und Motoren ansteuern und mit anderen Controllern kommunizieren. Es existieren Compiler für Basic, C und C++. Auch die hardwarenahe Sprache Assembler wird unterstützt.

15 Encoder: (unten links) Ein Encoder ist ein Aufsatz für einen Motor, der immer nach einem fixen Drehwinkel des Motors einen Impuls auslöst. Damit kann der Roboter bestimmen, wie schnell der Motor tatsächlich dreht und die Drehgeschwindigkeit mit einem Regler entsprechend anpassen. Dies wird beispielsweise benötigt, um einen Getriebemotor mit konstanter Drehzahl zu betreiben. Helligkeitssensoren: (unten Mitte links) Bei unseren Robotern verwenden wir CNY70 Sensoren. Diese bestehen aus einer LED, die Infrarot- Licht emittiert, sowie einem Fototransistor, der die reflektierte Lichtintensität misst. Damit kann bestimmt werden, wie viel Licht reflektiert wird. So findet der Roboter heraus, ob er auf hellem oder dunklem Boden steht. Infrarot-Distanzsensoren: (unten Mitte rechts) Wir verwenden Infrarot- Distanzsensoren von SHARP, um die Entfernung zu Wänden und Hindernissen zu bestimmen. Der Sensor strahlt einen Lichtstrahl im infraroten Bereich schräg nach vorne aus, welcher am Hindernis reflektiert wird. Danach misst der Sensor den Auftrittspunkt des reflektierten Lichtstrahls und wandelt diesen in eine analoge Spannung um. Die Spannung kann danach vom Mikrocontroller in eine Distanz umgerechnet werden. LEGO NXT: NXT ist ein Mikrocontroller-Set von LEGO. Der Controller kann insgesamt 4 Sensoren und 3 Motoren ansteuern und mit anderen NXTs kommunizieren. Der NXT-Controller kann in verschiedenen Sprachen programmiert werden, zum Beispiel mit NXC. Ultraschall-Distanzsensoren: (unten rechts) Auch Ultraschallsensoren dienen zur Entfernungsbestimmung. Dazu senden sie eine Ultraschallwelle aus und messen die Zeit, bis die Reflexion der Welle zurück auf den Sensor trifft. Aus der zeitlichen Differenz lässt sich die Distanz zum Objekt sehr genau berechnen. Programmierung Assembler: Assembler ist die Darstellung von Maschinencode in einer Form, die für Menschen lesbar ist. Da aber das Schreiben von Assemblercode sehr zeitaufwändig ist, verwenden wir zur Programmierung der Roboter die Sprache C. AVR GCC: Der GNU C Compiler ist eine direkte Umsetzung der Programmiersprache C für ATMEL Mikrocontroller, unter anderem den ATmega32. Zusätzlich zum normalen C Sprachumfang stehen spezielle Bibliotheken für den Mikrocontroller zur Verfügung. Der Code für den Roboter wird auf dem Computer in Maschinencode umgewandelt und danach auf den ATmega32 geladen. C: C ist eine der am weitest verbreiteten Programmiersprachen. Mit C können sehr hardwarenahe Programme geschrieben werden. C wird heute unter anderem in der Programmierung von Betriebssystemen und eingebetteten Systemen verwendet und kommt auch in unseren Robotern zum Einsatz. NXC: Not exactly C ist eine C-ähnliche Programmiersprache, um den Controller des LEGO NXT zu programmieren. NXC wurde speziell für das LEGO NXT Set entwickelt. Die Syntax ist stark an C orientiert, allerdings mit einigen Einschränkungen. Regler: Ein Regler vergleicht eine vorgegebene Grösse mit einem Messwert und korrigiert die Abweichung möglichst schnell. Beispielsweise wird ein Regler dazu verwendet, mit konstanter Geschwindigkeit zu fahren oder den Abstand zu einer Wand einzuhalten.

16 Helveticrobot Bündner Kantonsschule Arosastrasse Chur info@helveticrobot.ch