Mit dem Billardroboter „B.R.E.A.K.“ machen Studierende von Beckhoff industrielle Automatisierung spielerisch erlebbar

Aus einem Studienprojekt wurde ein eindrucksvolles Beispiel für praxisnahe Nachwuchsförderung: Vier Studierende von Beckhoff Automation haben im Rahmen ihres praxisintegrierten Studiengangs Mechatronik/Automatisierung an der Hochschule Bielefeld (HSBI) Campus Gütersloh den vollautomatisierten Billardroboter „B.R.E.A.K.“ entwickelt. Der Name steht für „Billardroboter zur eigenständigen Ausführung von Kugelstößen“. Die Maschine analysiert Spielsituationen eigenständig, plant den besten Stoß und setzt ihn autonom um. Damit zeigt das Projekt, wie eng Theorie und Praxis im Studium zusammenwirken und wie junge Talente bei Beckhoff früh Verantwortung für anspruchsvolle technologische Aufgaben übernehmen. Gerade die Verbindung aus spielerischer Herausforderung und industrieller Automatisierung macht B.R.E.A.K. besonders anschaulich: Was auf den ersten Blick nach Freizeit und Spaß aussieht, wird zu einem anspruchsvollen Anwendungsfall für Bildverarbeitung, Steuerungstechnik, Mechanik und Softwareentwicklung.

Der Impuls für das Projekt kam aus einer persönlichen Begeisterung für Billard und Technik. Ben hatte schon vor dem Studium die Idee, einen Billardroboter zu bauen – aus der Faszination heraus, ein taktisches Spiel mit präziser Automatisierung zu verbinden. Was damals noch an fehlenden Möglichkeiten scheiterte, wurde im praxisintegrierten Studium bei Beckhoff konkret. Gemeinsam mit Antoine, Michael und Niklas formte sich ein Team, das aus dieser technischen Vision B.R.E.A.K. als funktionierendes mechatronisches System entwickelte. Im 6. und 7. Semester arbeiteten die vier Studierenden von Beckhoff mit großem Einsatz daran, aus der Idee ein funktionierendes System zu bauen. Ihr Ziel war klar definiert: Ein vollautomatisierter Billardroboter sollte das Spiel ‚8-Ball‘ eigenständig erkennen, analysieren und ausführen, dabei präzise, sicher, transportabel und bedienfreundlich sein. Das Ergebnis erfüllt diesen Anspruch. Mit einer Trefferquote von rund 80 Prozent spielt das System auf einem Niveau, das über dem eines guten Billardspielers liegt.

Der Weg dorthin verlief jedoch keineswegs geradlinig. Immer wieder stand das Team vor Aufgaben, die in der Praxis deutlich anspruchsvoller waren als zunächst erwartet. Vor allem die Kugelerkennung entwickelte sich zu einer zentralen Herausforderung. Denn beim Billard entscheidet oft ein winziger Bruchteil eines Millimeters über den perfekten Lauf der Kugel. Was anfangs mit einer angestrebten Genauigkeit von 1 mm geplant war, führte im Verlauf des Projekts zu deutlich präziseren Ergebnissen: Heute erreicht das System eine Wiederholgenauigkeit von 0,2 mm und eine Positionsgenauigkeit von 0,5 mm.

Lernen unter realen Projektbedingungen

Besonders bemerkenswert ist dabei nicht nur die technische Leistung, sondern auch der Weg dorthin. Die vier Studierenden organisierten sich eigenverantwortlich, strukturierten das Projekt über Meilensteine, definierten Zuständigkeiten und arbeiteten über Monate mit hoher Disziplin an der mechanischen Konstruktion, der Steuerungstechnik, der Bildverarbeitung, den Sicherheitsfunktionen, der elektrischen Auslegung und der Fertigung. Viele Entscheidungen traf das Team unter realistischen Projektbedingungen – mit engen Zeitfenstern, begrenzten Ressourcen und in laufender Abstimmung mit Sponsoren, Hochschule und Projektumfeld. Gerade diese Praxisnähe macht den besonderen Wert der engen Verbindung von Studium und Praxis aus, weil sie fachliches Wissen mit Verantwortung, Selbstständigkeit und konkreter Umsetzung verbindet.

Bildverarbeitung für präzise Positionsbestimmung

Die technische Qualität des Billardroboters zeigt sich im nahtlosen Zusammenspiel von Bildverarbeitung, intelligenter Software und präziser Steuerungstechnik. Am Beginn steht die optische Erfassung des Spielfelds: Eine Industriekamera von Beckhoff nimmt den Tisch unter unterschiedlich farbigen Lichtimpulsen in drei Einzelbildern auf. Aus diesen Aufnahmen rekonstruiert das System ein Farbbild und schafft damit die Grundlage für eine zuverlässige und präzise Positionsbestimmung aller Kugeln.

Die anschließende Analyse übernimmt eine in Python entwickelte Software. Python ist eine leistungsfähige Programmiersprache, die sich insbesondere für Bildverarbeitung, datenbasierte Analyse und Machine-Learning-Anwendungen etabliert hat. Ein trainiertes Modell erkennt und klassifiziert die Kugeln, bestimmt ihre exakte Lage auf dem Tisch und kompensiert zugleich optische Verzerrungen, um eine belastbare Datengrundlage für die weitere Verarbeitung sicherzustellen.

Auf Basis dieser Informationen berechnet das System in Sekundenbruchteilen die perfekte Spielstrategie und den optimalen nächsten Stoß. Damit übersetzt B.R.E.A.K. eine Spielsituation, die Menschen häufig intuitiv bewerten, in präzise Daten, Algorithmen und Bewegungsprofile. Die daraus resultierenden Ziel- und Bewegungsdaten werden über ADS an die Beckhoff Steuerung übertragen. ADS dient dabei als schnelle und zuverlässige Kommunikationsschnittstelle zwischen der softwarebasierten Analyse und der Steuerungsebene. Für die Automatisierung und Bewegungsausführung kam TwinCAT, die Automatisierungssoftware von Beckhoff, zum Einsatz. Dort setzten die Studierenden die Maschinenlogik so um, dass sich das System sicher, kollisionsfrei und hochpräzise ausrichtet und jeden Stoß kontrolliert sowie reproduzierbar ausführt.

So entstand ein Gesamtsystem, das nicht nur durch seine technische Leistungsfähigkeit überzeugt, sondern auch durch die konsequente Integration aller wesentlichen Disziplinen – von der optischen Erfassung mit Beckhoff Technologie über die intelligente Datenverarbeitung bis zur präzisen Bewegungsausführung.

Industriesteuerung als Kern

Technologische Grundlage des Projekts war die PC-basierte Steuerungstechnik von Beckhoff mit einem Industrie-PC als leistungsfähiger zentraler Steuerungsplattform. Darauf realisierte das Team die Integration von TwinCAT, Antriebstechnik und Industriebildverarbeitung – einschließlich Industriekamera und Beleuchtung – zu einem durchgängig abgestimmten Gesamtsystem. Ergänzend kamen Komponenten weiterer Sponsoren aus Ostwestfalen-Lippe zum Einsatz. Das Ergebnis zeigt den hohen Praxisbezug des Projekts: Der Roboter verbindet unterschiedliche Technologien zu einer funktionalen Anwendung und macht sichtbar, wie sich industrielle Automatisierungslösungen effizient, skalierbar und anwendungsnah umsetzen lassen.

Systementwicklung unter Mehrfachanforderungen

B.R.E.A.K. sollte technisch präzise funktionieren, als interaktiver Demonstrator begeistern und Automatisierungstechnik spielerisch erlebbar machen. Besucherinnen und Besucher sollen unmittelbar nachvollziehen können, wie Bildverarbeitung, Steuerungstechnik und Mechanik in einer anschaulichen Anwendung zusammenspielen. Über die reine Funktionalität hinaus musste das Team zahlreiche Anforderungen erfüllen: Der Roboter sollte zuverlässig spielen, transportabel, montagefreundlich und auf Events sicher einsetzbar sein. Genau an diesen Punkten zeigte sich, wie wertvoll das systematische Vorgehen im Projekt war. Die Studierenden testeten, passten an, verwarfen Ansätze und verbesserten das System Schritt für Schritt. So entstand aus einem zunächst geplanten Stahlrahmen ein modularer Aufbau aus Aluminiumprofilen, der mehr Flexibilität und bessere Handhabbarkeit bot. Auch beim Stoßmechanismus entwickelte das Team die ursprüngliche Idee konsequent weiter: Statt eines linearen Stoßsystems realisierten die vier Studierenden ein Schwungstößelprinzip, das mechanisch effizienter arbeitet und konstruktiv deutlich schlanker ist. Für die sichere Nutzung auf Veranstaltungen integrierten sie zudem zwei diagonal angeordnete Sicherheitslaserscanner, die den Bereich rund um den Tisch überwachen und das System zuverlässig stoppen, sobald sich Personen dem Sicherheitsbereich nähern.

Praxisintegriertes Studium als Erfolgsmodell

Für Beckhoff Automation steht dieses Projekt exemplarisch für die Stärke des praxisintegrierten Studiums in Kooperation mit der Hochschule Bielefeld (HSBI) Campus Gütersloh. Die vier Studierenden haben nicht nur technisches Wissen angewendet, sondern Verantwortung übernommen, Entscheidungen getroffen, Schnittstellen koordiniert und ein komplexes Vorhaben unter realen Bedingungen zum Abschluss gebracht. Sie lernten, Anforderungen zu definieren, Prioritäten zu setzen, mit Rückschlägen konstruktiv umzugehen und im Team verlässlich zusammenzuarbeiten. Genau diese Verbindung aus ingenieurwissenschaftlichem Wissen, Eigeninitiative und Umsetzungsstärke entwickelt Nachwuchskräfte zu qualifizierten Ingenieurinnen und Ingenieuren. Damit stärkt Beckhoff die eigene Innovationskraft nachhaltig.

Entwicklungsspielraum für junge Ingenieurinnen und Ingenieure

Genau darin liegt die Attraktivität für junge Talente: Bei Beckhoff arbeiten Studierende im praxisintegrierten Studium nicht nebenbei mit, sondern gestalten aktiv. Sie übernehmen früh Verantwortung, arbeiten mit moderner Technologie und erleben, wie aus Ideen faszinierende Lösungen entstehen. Das Projekt zeigt: Wenn technische Herausforderung und der Spaß am Ausprobieren Hand in Hand gehen, entstehen Bestleistungen. Das Unternehmen schafft dafür die passenden Rahmenbedingungen – mit hochleistungsfähiger Automatisierungstechnik, Vertrauen und dem Freiraum, sich an echten Herausforderungen weiterzuentwickeln.

Talentförderung zahlt sich aus

Der vollautomatisierte Billardroboter B.R.E.A.K. steht aktuell im Ausbildungsgebäude von Beckhoff Automation. Er bleibt dort nicht nur als sichtbares Ergebnis engagierter Teamarbeit präsent, sondern fungiert auch weiterhin als praktisches Lehrobjekt für nachfolgende Jahrgänge. Im nächsten Modul „Mechatronische Systeme“ übernimmt eine neue Studierendengruppe die Weiterentwicklung. Perspektivisch sind zusätzliche Spielmodi, Bandenstöße, ein automatisierter Kugelaufbau und erweiterte Softwarefunktionen denkbar. Das nächste Level des High-Tech-Spiels ist also schon in Sicht.