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1 __TITLE SLIDES

2 The Cool Science Institute
An Initiative to Raise Interest in Science, Engineering, and Technology

3 The Cool Science Institute
Eine Initiative zur Förderung des Interesses Jugendlicher an Wissenschaft und Technik

4 From Robot Building Labs to RoboCup Junior
Educational Robotics From Robot Building Labs to RoboCup Junior

5 Towards Robot Building Labs in Schools
Educational Robotics Towards Robot Building Labs in Schools

6 Motivation and Need for The Cool Science Institute
Educational Robotics Motivation and Need for The Cool Science Institute

7 Robotik-Aktivitäten an Schulen
Educational Robotics Robotik-Aktivitäten an Schulen

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9 __CONTENT SLIDES

10 Survey of Teacher Course
Introduction Motivation Robot Building Labs The Cool Science Institute The RoboCup Initiative <coffee> Survey of Technology Lego Mindstorms Tetrixx <sandwich> Robot Programming Videos Minerva RoboCup-99 Lab Time <lunch> RBL Course Concepts Mindstorms Course Tetrixx Compact Tetrixx Advanced Organization Finance Equipment Scheduling RoboCup Junior Public Relations <coffee> Wrap-Up Session

11 Plan of the Talk Motivate the problem
Analyse current situation in education Survey landmark projects RoboCup Robot Building Laboratories RoboCup Jr. NUGI KIPR Present The Cool Science Institute Project a new educational path Conclude

12 Plan of the Talk Contents Motivation Robot Building Labs
Selling Science TCSI TCSI Courses TCSI Projects TCSI Statistics RoboCup RoboCup Junior Conclusions

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14 __MOTIVATION SLIDES

15 * www.mpib-berlin.mpg.de/TIMSS-Germany/
TIMSS Study Results of TIMSS/III* study (11/2000): „German high school students cannot compete with high school graduates from Germany's most important neighbors. They do not even achieve ... average performance on an international level.“ „Deficits are most evident ... in the area of competence conceptual understanding .. of scientific methods.“ „Significant weaknesses could be identified ... in tasks requiring the self-initiated application of knowledge learned, the transfer of problem solving knowledge to new problems and contexts, or the flexible restructuring of problem constellations. *

16 * www.mpib-berlin.mpg.de/TIMSS-Germany/
Ergebnisse der Studie TIMSS/III* (11/2000): „Mit Schülern aus wichtigen Nachbarländern können sich deutsche Abiturienten nicht messen. Sie erreichen ... nicht den internationalen Mittelwert.“ „Defizite liegen ... im Bereich des konzeptuellen Verständnisses ... naturwissenschaftlicher Arbeitsweisen.“ „Schwächen werden ... bei Aufgaben sichtbar, die das selbständige Anwenden von Gelerntem, die Übertragung in neue Kontexte oder ein flexibles Umstrukturieren von Problemkonstellationen erfordern. *

17 Motivation Shortage of students in engineering and science.
NEED TO ACT! Hooking schools to the Internet is NOT enough. WHAT NEEDS TO BE DONE? Increase interest in science and technology. NEED NEW IDEAS! NEED TO ADDRESS MORE STUDENTS NEED TO ADDRESS MORE GIRLS Edutainment Robotics Tamagotchi, Furby, Mindstorms, Aibo Instrumentalize fascinating science for education!

18 Motivation Market for engineers booms.
Shortage of students in engineering and science. NEED TO ACT! Hooking schools to the Internet is NOT enough. WHAT NEEDS TO BE DONE? Increase interest in science and technology. NEED NEW IDEAS! NEED TO ADDRESS MORE STUDENTS NEED TO ADDRESS MORE GIRLS

19 Motivation Educational Robotics! Robot Building Laboratories! (RBLs)
Market for engineers booms. Shortage of students in engineering and science. NEED TO ACT! Hooking schools to the Internet is NOT enough. WHAT NEEDS TO BE DONE? Increase interest in science and technology. NEED NEW IDEAS! Educational Robotics! Robot Building Laboratories! (RBLs)

20 Fighting Technological Neglect
Market for engineers booms. Shortage of students in engineering and science. NEED TO ACT! Hooking schools to the Internet is NOT enough. WHAT NEEDS TO BE DONE? Increase interest in science and technology. NEED NEW IDEAS! Robot Building Laboratories! (RBLs)

21 Motivation Jammern allerorten!
Mangel an Ingenieuren und Naturwissenschaftlern Wir müssen also etwas tun! Unis versuchen gegenzusteuern Begrenzte Erfolge bisheriger Aktionen Was also ist zu tun? Generelle Stärkung des Interesses an Technik Eigeninitiative der Schüler anregen Spass als Motivationsfaktor Wir brauchen neue Ideen!

22 Ausgangslage Klagelieder der Wirtschaft und Politik
Wettbewerbsfähigkeit massiv bedroht Ursachen Einbruch am Arbeitsmarkt Mitte der 90er Jahre Stark nachlassende Erstsemesterzahlen Jetzt Mangel an Fachkräften in praktisch allen Fächern Informatiker, Elektrotechniker Maschinen- und Anlagenbauer, KFZ-Ingenieure Materialwissenschaftler und Verfahrensingenieure "Schweinezyklus" am Arbeitsmarkt für Ingenieure Mittelfristig keine Besserung in Sicht Wir müssen also etwas tun!

23 Reaktionen Schüler müssen an den Computer
Bund: Schulen ans Netz, Initiative D21 BW: Online-Forum Medienpädagogik BY: Bildungsoffensive Bayern, Offene Schule 2001 Alles gut, richtig und notwendig Aber keine entscheidende Änderung der Lage Auswirkung auf Studienentscheidung sehr fraglich Eignung dieser "motivierten" Studenten oft problematisch Erhöht Konkurrenzkampf der Fächer um wenige technisch interessierten und begabten Studenten Besser: Die Zahl der technisch Interessierten erhöhen! Was also ist zu tun?

24 Innovative Ideen in der schulischen Bildung
Positives Image von Naturwissenschaften und Technik Gute Karrierechancen und Verdienstmöglichkeiten Hoher Zufriedenheitsfaktor Freude und Spaß am Job Bisherige Initiativen sind unzureichend Einmalige Info-Veranstaltungen, Schnupperkurse Interesse muss schon viel früher geweckt werden Stärkung der mathematisch-naturwissenschaftlichen Fächer Vereinzelt innovative Ansätze sichtbar Siehe Reihe Die bessere Schule in Die Zeit, 12-14, 99 Wir brauchen also (noch mehr) neue Ideen!

25 Analysis Science and Math in school seem deadly boring!
Equipment and technology often seem half a century old! Kids never had a bigger choice of leisure activities. Video games and surfing the Internet make school look like really ancient stuff. So, why take Math, Physics, Chemistry, ... serious?

26 Roboter erobern das Kinderzimmer
Tamagotchi Furby LEGO Mindstorms 1998 in USA und GB anfangs wochenlange Lieferzeiten nur drei Motoren und drei Sensoren ca DEM Fischertechnik Aibo 1999 in Japan via Internet Stück zu je $3.000 in nur 20 Minuten verkauft jetzt als Produkt für €1.500 erhältlich Produkte für RoboCup Junior

27 What can be done? Instrumentalize fascinating science for education!
Robotics is fascinating science! Some landmark projects: Robot Building Laboratories RoboCup RoboCup Jr. NUGI: Network University Gymnasium Industry KIPR: KISS Institute of Practical Robotics

28 Citations DaimlerChrysler Project Lab.01 auf der EXPO2000:
"Hands out of your pockets! Touch! Make! Do!" "In this project we made a completely surprising discovery: The wide-spread opinion that interest in science and technology is different between boys and girls is fairy tale!" John Will, Project Leader Lab.01 Project "Learning to learn", Geschwister-Scholl-Gymnasium, Lüdenscheid: "Learning effectiveness can be increased by 90%, if the subject is not just presented in a 'dry' manner, but gets depth by touching and experimenting."

29 Zitate DaimlerChrysler Projekt Lab.01 auf der EXPO2000:
"Hände aus den Taschen! Anfassen! Machen!" "Dabei machten wir eine völlig überraschende Entdeckung: Die Meinung, das technologische Interesse sei bei Jungen und Mädchen unterschiedlich ausgeprägt, ist überholt!" John Will, Projektleiter Lab.01 Projekt "Lernen lernen", Geschwister-Scholl-Gymnasium, Lüdenscheid: "Der Lerneffekt lässt sich um 90% steigern, wenn der Stoff nicht nur trocken dargeboten, sondern durch Anfassen und Ausprobieren vertieft wird."

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31 __RBL SLIDES

32 Robot Building Laboratories
Students build robots! Course consists of tutorials, lab work and contests Teams of 3-5 students Mechanics built using LEGO Technic or Tetrixx DC motors, steppers and servos for actuating devices Microswitches, IR transistors, sonars for sensor devices Programmable microcontroller boards used as robot "brain" Tutorial provides just the right level of theory Lab work stresses practical work Contests motivate students and evaluate progress Already substantial experience available

33 Robot Building Laboratories
Schüler bauen Roboter!!! Kurskonzept aus Tutorien, Laborarbeit und Wettbewerben Teams mit 3-5 Schülern Mechanik aus LEGO Technic Aktorik mit Gleichstrommotoren und Modellbau-Servos Sensorik mit Tastern, Infrarot, Ultraschall Programmierbares Microcontrollerboard als "Denkzentrale" Theorie wird im Tutorium vermittelt Praxis wird in der Laborarbeit gelernt Wettbewerbe motivieren und kontrollieren Bereits sehr gute Erfahrungen vorhanden

34 Key Factors for RBL Success
Balance of tutorial, lab work, contests Presentation of theory in palatable form Learning by doing, hands-on experience Creativity Experimental work Lab assistance Teamwork Competition and cooperation Fun, fun, fun: RBLs are fun!

35 Das Rezept für den Erfolg
Balance der Kurskomponenten Präsentation der Theorie in verdaulicher Form Praxis durch "learning by doing", "hands-on experience" Entfaltung der Kreativität Verknüpfung von Theorie und Praxis im Experiment Laborbetreuung Teamwork Konkurrenz und Kooperation Fun, fun, fun: RBLs machen riesig Spaß!

36 What Do Students Learn in an RBL?
Science and technology is fun! Teamwork Personal organization Principles and characteristics of Motors and gearboxes IR sensors and sonar sensors ... Programming Microcontrollers and embedded systems IC programming System architectures for robot control Learning System integration Understanding of large, complex systems Interaction of components in a complex system

37 Was lernen Schüler in einem RBL?
Wissenschaft und Technik machen Spaß! im Team zu arbeiten sich selbst besser zu organisieren Verständnis der Prinzipien und Eigenschaften von Motoren und Getrieben, Infrarotsensoren und Ultraschallsensoren ... Programmierung von Microcontroller und embedded systems C++/Java Systemarchitekturen zur Robotersteuerung Lernende Systeme Systemintegration Verständnis großer, komplexer Systeme Interaktion der Komponenten in einem komplexen System

38 Ergebnisse weitaus höhere Motivation der Schüler
spielerisches Herantasten an "schwierige" Fächer Erkenntnis, dass Wissenschaft (M/Ph/CH/B) auch großen Spaß machen kann deutlich verbesserte schulische Leistungen in allen Fächern!

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40 __HISTORY SLIDES

41 The Roots Seymour Papert, MIT Media Lab
Fred Martin, Randy Sargent: MIT 6.270 Peter Miller: AAAI-93 Gerhard Kraetzschmar, Josef Schneeberger: AAAI-94 KIFS-94, KIFS-95, KIFS-96 FORWISS-94, FH Weingarten-95, University of Ulm 98 Activities with whiz kids and high school students von Luck, Klemke, Böhm: FH Hamburg Heinsohn, Loose: FH Brandenburg Geistert, Hogl, Klarner, Siddiqi: University of Erlangen 99

42 Die Wurzeln Seymour Papert, MIT Media Lab
Fred Martin, Randy Sargent: MIT 6.270 Peter Miller: AAAI-93 Gerhard Kraetzschmar, Josef Schneeberger: AAAI-94 KIFS-94, KIFS-95, KIFS-96 FORWISS-94, FH Weingarten-95, Uni Ulm 98 Aktivitäten mit Hochbegabten und Schülern von Luck, Klemke, Böhm: FH Hamburg Heinsohn, Loose: FH Brandenburg Geistert, Hogl, Klarner, Siddiqi: Uni Erlangen 99

43 NUGI at University of Ulm
NUGI = Netzwerk Universität, Gymnasien, Industrie network of university, high schools, and industry Founders Gisela Lehnhardt and Dr. Erhard Stupperich Supporters University of Ulm Microbiology und Biotechnology University Computing Center Seminar for Pedagogy BioRegio Ulm (a regional network of biotech companies) IHK Ulm (an industrial association)

44 NUGI an der Universität Ulm
NUGI = Netzwerk Universität, Gymnasien, Industrie Initiatoren Gisela Lehnhardt und Dr. Erhard Stupperich Unterstützung Universität Ulm Mikrobiologie und Biotechnologie Universitätsrechenzentrum Seminar für Pädagogik BioRegio Ulm IHK Ulm

45 KISS Institute of Practical Robotics (KIPR)
Private, non-profit, community-based organization Founded in 1993 by Peter Miller Organizes RBLs in kindergardens, schools, at conferences all ages of kids professional development courses BOTBALL Robotics Tournaments regional competitions winners are invited (and sponsored) to participate in final contest during AAAI conference Supporters include Peter Miller, Marc Slack, Erann Gat, Jim Hendler, Benjamin Kuipers, Lynn Stein

46 KISS Institute of Practical Robotics (KIPR)
1993 von Peter Miller in den USA gegründet non-profit organization Organisiert RBLs in Kindergärten, Schulen, Konferenzen BOTBALL Contest regionale Ausscheidungswettbewerbe Sieger dürfen zum Finale während der AAAI-Konferenz

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48 __TCSI SLIDES

49 The Problem Schools currently cannot offer traditional RBLs
Organizational problems Courses typically have 8 groups and 30 participants Duration 5-8 days, 24 hours per day lab time At least 2 TAs at any time >= 8 TAs! Technical problems Acquisition of kits is difficult, time-consuming, and expensive Import of microcontroller boards from Hongkong and USA Particular parts very difficult to obtain, esp. in small quantities Availability of tutorials and other teaching material

50 Das Problem RBLs derzeit nicht direkt an Schulen durchführbar
Organisatorische Probleme Kurse bisher mit 8 Gruppen und etwa 30 Teilnehmern Kursdauer 5-8 Tage rund um die Uhr (24-h Tage!) Ständig mindestens 2 Laborbetreuer >= 8 Betreuer! Technische Probleme Beschaffung der Kits schwierig, zeitaufwendig, teuer Import der Microcontrollerboards aus Hongkong und USA Bestimmte Einzelteile schwer erhältlich Wenig Lehrmaterial

51 The Solution The Cool Science Institute, a non-profit organization that fosters interest in science and technology among young people A network that brings together various interest groups Universities (scientists and students) Schools (teachers and students) Industry Politics Media RBLs as initial focal point for improved, more intense cooperation between interest groups Enormous long-term potential

52 Die Lösung Förderverein "The Cool Science Institute"
Bündelung und Koordinierung der Interessengruppen Universitäten (Wissenschaftler, Studenten) Schulen (Lehrer und Schüler) Wirtschaft Politik Medien RBLs als initialer Anreiz für eine intensivere Zusammenarbeit der Interessengruppen Enormes langfristiges Potenzial

53 The Cool Science Institute
Förderung des Interesses an Naturwissenschaften und Technik erfordert Kooperation von Hochschulen, Wirtschaft und Medien mit Schulen und Politik. Welche institutionelle Form ist hierfür geeignet? Stiftung (--) Verein (++) GmbH (--) Gründung eines Vereins mit gemeinnützigen Zwecken Zweck und Zielsetzung Produkte und Dienstleistungen Organisation Finanzierung

54 TCSI Mission and Goals Goals
Foster interest in science and technology. Organize Robot Building Labs with kids and students. Advise German student teams for RoboCup Jr. Mission Increase and improve cooperation between schools and universities Tighter integration of scholarly and academic education

55 Zweck und Zielsetzung Konkret
Förderung des Interesses an Naturwissenschaft und Technik Durchführung von Robot Building Labs mit Kindern und Schülern Betreuung von Schülerteams für den RoboCup Jr Ideell Förderung und Verbesserung der Zusammenarbeit zwischen Universitäten und Schulen Engere Verknüpfung schulischer und universitärer Bildung

56 Tasks for TCSI Informative talks at schools
Professional development for teachers Providing teaching material (print/online) Providing necessary technology Repair service Communication infrastructure: , news, web Hotline Organization of regional and national contests Attracting and providing sponsorship Evaluation and enhancement of educational robotics

57 Aufgaben des TCSI Info-Veranstaltungen an Schulen
Weiterbildungsangebote für Lehrer Bereitstellung von Lehrmaterial (print/online) Bereitstellung der notwendigen Technologie Reparaturservice Kommunikationsinfrastruktur: , News, Web Hotline Organisation von Wettbewerben Vermittlung von Sponsoren Evaluation und Weiterentwicklung des Konzepts

58 TCSI Products and Services
Info RBL demo videos Courses for teachers Organizational handbook Communication infrastructure Text book Consulting Sponsoring RBL Tutorial RBL Team Kit RBL Organizer Kit Problem database Repair service Contest design Contest tables Contest organization Over time, organization of operations should be performed by a network of students, teachers, and retired people. Role of universities should increasingly be the role of providers for educational technology and consultants.

59 Produkte und Dienstleistungen
Info RBL Demo Videos Fortbildung für Lehrer Organisationshandbuch Lehrbuch Beratung Sponsoring RBL Tutorial RBL Team Kit RBL Org Kit Problemdatenbank Reparaturservice Contest design Spieltische Wettbewerbe Mittelfristig soll die Organisation des laufenden Betriebs durch ein Aktiven-Netzwerk aus Schülern und Studenten, Lehrern und Wissenschaftlern getragen werden. Die Rolle der Universitäten soll zunehmend die eines Technologie-und Ideen-Providers werden.

60 Organisationsstrukturen
Verein braucht mindestens Vorstand und MV Vorstand Vorsitz Buchhaltung/Kasse, Sponsoring Schulkontakte, Öffentlichkeitsarbeit Betrieb F & E Beirat national/international Arbeitsgruppen Sponsorenclub Lehr- und Informationsmaterial

61 TCSI Organization Advisory Board Executive Committee Work Groups
national CEO Office Kraetzschmar Palm CFO Bader Sponsor Club Durner Industrial Liasion CIO Schneeberger PR Group Educational Liasion international Bader Tutorials/Info Female Liasion COO Operations Geistert R&D Director Technology Kaiser

62 Projektplanung Lobbying-Phase Unterstützung sichern Vereinsgründung
Pilotphase etwa RBLs in BW und BY zwei Schülerteams zum RoboCup-2000 Entwicklungsphase Entwicklung von Boards und Kits Entwicklung organisatorischer Konzepte und Strukturen Arbeitsphase breite Umsetzung

63 Entwicklung Ziele für Phase 1:
Pilotprojekte an etwa Gymnasien in BW + BY Förderung durch Politik und Wirtschaft Ziele für Phase 2: Technologische Weiterentwicklung Flächendeckende Etablierung von RBLs in Schulen Einbindung in internationale Aktivitäten Enormes langfristiges Potenzial

64 TCSI Funding Project funding Donations Own revenues
Selling Hardware and Software (VAR) Leasing Kits Consulting Membership Personal members Normal Reduced Supporting Institutional members Schools Universities Corporate Premium

65 Finanzierung: Bedarf Setup: Vereinsgründung, Lobbying, etc.
ca ,- DM Pilotphase: RBLs an Gymnasien in BY und BW nur sehr grobe Schätzung ca Arbeitsphase: Ministerien finanzieren Fortbildung der Lehrer Industrie finanziert Kits und Löhne gemeinsame Finanzierung von Neuentwicklungen

66 Finanzierung: Quellen
Mitgliedsbeiträge persönliche Mitglieder institutionelle Mitglieder Geld- und Sachspenden Drittmittel Eigene Erträge aus Verkauf von Hard- und Software Vermietung von Kits Vergütung für Dienstleistungen

67 Formen von Support Mitgliedschaft Aktive Teilnahme an Arbeitsgruppen
Letters of support Werbung, Flüsterpropaganda

68 Perspektiven neue Technik eigene Boards eigene Kits neue Zielgruppen
Kinder Menschen im dritten Lebenssabschnitt Erwachsenenbildung Assessment Center, Management Incentives Ausdehnung auf andere Informatikbereiche Programmierwettbewerbe Designwettbewerbe Ausdehnung auf andere Wissenschaftsbereiche NUGI

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70 __TCSI COURSES

71 TCSI RBL Course Concepts
Three RBL course concepts for different age levels: Mindstorm LEGO Mindstorm Robotics Invention Kits RCX programming age group 10 to 13 Tetrixx Compact Tetrixx Electronics + Tetrixx Mechanics + LEGO Technics TIDE (C++, plans for Java) age group 13 to 16 Tetrixx Advanced Tetrixx Electronics + Tetrixx Mechanics Advanced sensing (vision) and communications C++ or Java age group 16 to 19

72 Mindstorm Course: Goals
primäres Lernziel: frühzeitiges Wecken des naturwissenschaftlichen Interesses Jugendlicher durch spielerischen Umgang mit Technik sekundäre Lernziele: Verbesserung der Feinmotorik durch Anfassen und Ausprobieren Entwickeln eines Grundverständnisses für einfache physikalische Zusammenhänge Newton'sche Mechanik Kräfte, Reibung, Hebelgesetze, Übersetzungen, Getriebe Wirkprinzipien einfacher Sensoren ikonisch-grafische Programmierung in RCX-Code elementares Verständnis programmiersprachlicher Konzepte wie Befehle, Verzweigungen, Schleifen einfaches verhaltensbasiertes Programmieren

73 Mindstorm Course: Goals
primäres Lernziel: frühzeitiges Wecken des naturwissenschaftlichen Interesses Jugendlicher durch spielerischen Umgang mit Technik sekundäre Lernziele: Verbesserung der Feinmotorik durch Anfassen und Ausprobieren Entwickeln eines Grundverständnisses für einfache physikalische Zusammenhänge Newton'sche Mechanik Kräfte, Reibung, Hebelgesetze, Übersetzungen, Getriebe Wirkprinzipien einfacher Sensoren ikonisch-grafische Programmierung in RCX-Code elementares Verständnis programmiersprachlicher Konzepte wie Befehle, Verzweigungen, Schleifen einfaches verhaltensbasiertes Programmieren

74 Mindstorm Course: Kit Lego Mindstorms Robotics Invention Kit
Additional parts third motor third touch sensor second light sensor rotation sensor extra cables for building customized sensors IR-emitting ball Programming RCX Code NQC: Not Quite C ... many others

75 Mindstorm Course: Kit Lego Mindstorms Robotics Invention Kit
zusätzliche Teile dritter Motor dritter Kontaktsensor zweiter Lichtsensor Rotationssensor zusätzliche Kabel zum Eigenbau von Sensoren Infrarotlicht-emittierender Ball Programmierung RCX-Code Not Quite C u.v.a.m.

76 Mindstorm Course: Contents

77 Mindstorm Course: Programming

78 Mindstorm Course: Robots
Differential drive robots Few sensors (max 3 without hacks) Touch sensors Light sensors Rotation sensor Custom-built sensors

79 Mindstorm Course: Robots
Differenzialantrieb wenige Sensoren (max 3 ohne Hacks) Tastsensoren Lichtsensoren Rotationssensor Temperaturfühler XXXX Bild!

80 Mindstorm Course: Tasks
Finding a black area (homing) Searching for light sources Avoiding light sources Line following (tracking) RoboSoccer: Robot Football in RoboCup Junior RoboDance: Robot Performance in RoboCup Junior

81 Mindstorm Course: Aufgaben
Suchen einer schwarzen Fläche (homing) Suchen von Lichtquellen Vermeiden von Lichtquellen Folgen einer schwarzen Linie (tracking) RoboSoccer: Roboterfußball im RoboCup Junior RoboDance: Performance im RoboCup Junior

82 Mindstorm Course: RoboCup Junior
RoboDance create an artistic performance with robots design nice robots; dress them nicely select accompanying music or draft storyboard program robot to move synchronously with music or to behave according to role kids themselves may be part of story RoboSoccer two-on-two on small soccer field (about 2m x 1m) floor has grayscale gradient for position detecion walls are black, goals are gray IR-emitting ball

83 Tetrixx Compact: Goals
primäres Lernziel: Illustration und Vertiefung elementarer physikalischer, chemischer, biologischer und mathematischer Zusammenhänge in experimenteller Arbeit mit Robotern sekundäre Lernziele: Umgang mit Lötkolben und Werkzeug zur Konfektion von Sensoren und zum Aufbau einfacher Erweiterungsschaltungen Systematische experimentelle Evaluation von Sensoren (Kennlinienerstellung, -lesen und -diskussion) objekt-orientiertes Programmieren, grafisch unterstützte Programmierung in C++/Java komplexeres verhaltensbasiertes Programmieren Projektplanung und -organisation Projektdokumentation und -präsentation

84 Tetrixx Compact: Kit Tetrixx Compact Kit, consisting of
Tetrixx Mechanics Tetrixx Sense Tetrixx Tronics CPUboard Multiboard Tetrixx Control possible extensions Tetrixx/LegoTechnics interfacing bricks Experimental Board Compact Sonarboard Display

85 Tetrixx Compact: Kit Tetrixx Compact Kit, bestehend aus
Tetrixx Mechanics Tetrixx Sense Tetrixx Tronics CPUboard Multiboard Tetrixx Control mögliche Erweiterungen Tetrixx/LegoTechnics Interfacing Bricks Experimentierboard Compact Sonarboard Display

86 Tetrixx mechanics High-quality elements in anodized aluminium
Construction and design by Wonderbits Patent protection pending CNC production by KTB Kurtenbach

87 Tetrixx mechanics Hochwertige Bauelemente aus farbig eloxiertem Aluminium Konstruktion und Design durch Wonderbits Gebrauchsmusterschutz beantragt CNC-Fertigung bei KTB Kurtenbach (Blaubeuren)

88 Tetrixx mechanics Stangen Querschnitt:10x10,20x20
Längen: 10,20,40,60,80,100,120,.. Platten 20x20, 40x20, x200 Schrägverbinder: 45o T-Stücke L-Stücke Achsen (rund oder mit Nut) Zahnräder Räder

89 Tetrixx sense Special parts for sensors and motors
Cost-efficient hobbyist parts High-quality industrial components

90 Tetrixx sense Spezialbauteile zur Aufnahme von Sensoren und Motoren
Kostengünstige Modellbau-Komponenten Hochwertige Industriekomponenten

91 Tetrixx sense DC-Motoren Conrad, Graupner, Faulhaber, Maxon Servos
Graupner, Robbe Schrittmotoren ELV Sonars IR Dioden Taster LCD-Display zu jedem Bauteil spezielle Halterungen

92 Tetrixx tronics Programmable microcontroller boards
Modular, stackable extension boards for sensors and motor control Spezification and Design by Wonderbits Electronics design, layout, and production by Albotronic

93 Tetrixx tronics Programmierbare Microcontroller-Boards
Modulare Erweiterungsplatinen für Sensoren und Motoren Spezifikation und Design durch Wonderbits Schaltungsentwurf und Fertigung durch Albotronic (Oberkochen)

94 Tetrixx tronics mainboard C165
Siemens C165 microcontroller 40 MHz 128K FLASH 32K RAM serial line serial bus 4 LEDs 4 switches speaker can control up to 32 expansion boards! planned variants: CAN bus version PowerPC version

95 Tetrixx tronics multiboard
2 DC motor ports with each 4A max 4 Servo ports 8 Digital In ports 8 Analog In ports 4 LEDs 4 Digital Out 5V 4 Digital OUT 12V 100mA 4 switches

96 Tetrixx tronics special boards
sonar board 8 sonars LCD display board LCD 4x16 power motor board 2-4 power motor ports with 75W each stepper motor board 8 stepper motors experimental board

97 Tetrixx control Graphical programming environment for robot software
Easy to learn Easy to use Modular Flexible

98 Tetrixx control Grafische Programmierumgebung für Roboter-Software
Einfache Erlernbarkeit Einfache Benutzbarkeit Modularität Flexibilität

99 Tetrixx Programming Example

100 Tetrixx: c165key

101 Tetrixx: LCD Display Example

102 Tetrixx Programming Example

103 Tetrixx Compact: Contents

104 Tetrixx Robots

105 Tetrixx Compact: Robots
Differential drive additional 1-2 servos about one dozen sensors 4-12 touch sensors 4-12 IR sensors optional ultrasonic sensor (sonar)

106 Tetrixx Compact: Robots
Differenzialantrieb ggfs. Kettenfahrzeug zusätzlich 1-2 Servos ca. ein Dutzend Sensoren 4-12 Tastsensoren 4-12 Infrarot-Sensoren ggfs. ein Ultraschallsensor

107 Tetrixx Compact: Tasks
Finden eines Wegs durch ein Labyrinth Nüsse-Hamstern: Auffinden von Zielobjekten Unterscheidung von Objekten (mit einfachen Mitteln) Heimbringen ins Nest Herdenbildung und Herdenverhalten RoboSoccer: Roboterfußball im RoboCup Junior RoboRescue: Rettungsaufgaben im RoboCup Junior RoboDance: Performance im RoboCup Junior

108 Tetrixx Compact: RoboCup Junior
RoboDance RoboRescue RoboSoccer

109 Tetrixx Advanced: Goals
primäres Lernziel: Vertiefung des Interesses an naturwissenschaftlichen, mathematischen und ingenieurswissenschaftlichen Fragestellungen in kreativen, explorativen, eigenmotivierten Projekten mit autonomen mobilen Robotern sekundäre Lernziele: Aufbau eigener Erweiterungsschaltungen Systematische experimentelle Evaluation von Robotern objekt-orientiertes Programmieren (auch nebenläufiger) Programme, grafisch unterstützte Programmierung in C++ und Java probabilistische Algorithmen, neuronale Netze, Lernalgorithmen Projektplanung, -organisation und -präsentation

110 Tetrixx Advanced: Kit Tetrixx Advanced Kit, bestehend aus
Tetrixx Mechanics Tetrixx Sense hochwertige DC-Motoren (mit Getriebe und Odometrie) leistungsstarke Servos und Schrittmotoren hochwertige Sonar-Sensoren Kamera Tetrixx Tronics CPUboard Multiboards Experimental Boards Advanced Sonarboard LCD Display Board Stepperboard Kameraboard Tetrixx Control

111 Tetrixx Advanced: Contents

112 Tetrixx Advanced: Robots
Roboter mit mehr als drei Freiheitsgraden Differenzialantrieb auch anspruchsvollere Antriebe bis zu Laufmaschinen jeweils mehrere DC-Motoren, Schrittmotoren, Servos beliebig viele Tastsensoren beliebig viele Infrarot-Sensoren 8-24 Ultraschallsensoren Einsatz von CCD-Kameras

113 Tetrixx Advanced: Tasks
RoboSoccer: Roboterfußball im RoboCup Junior RoboRescue: Rettungsaufgaben im RoboCup Junior RoboDance: Performance im RoboCup Junior Truck 'n Trailer (komplexer Antrieb, komplexe Navigation) Doseneinsammler (Fahrzeug mit Arm und Kamera) Laufmaschine (6-beinige Spinne)

114 Tetrixx Advanced: RoboCup Junior
RoboDance RoboRescue RoboSoccer F-180 League F-2000 League

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116 Tetrixx Mechanics

117 Tetrixx Mechanics

118 Tetrixx mechanics Konstruktion und Design durch Wonderbits
Gebrauchsmusterschutz beantragt Fertigung bei KTB Kurtenbach (Blaubeuren)

119 Tetrixx sense Spezialbauteile zur Aufnahme von Sensoren und Motoren
Kostengünstige Modellbau-Komponenten Hochwertige Industriekomponenten

120 Tetrixx tronics Programmmierbare Microcontroller-Boards
Modulare Erweiterungsplatinen für Sensoren und Motoren Spezifikation und Design durch Wonderbits Schaltungsentwurf und Fertigung durch Albotronic (Oberkochen)

121 Tetrixx control Grafische Programmierumgebung für Roboter-Software
Einfache Erlernbarkeit Einfache Benutzbarkeit Modularität Flexibilität

122 Tetrixx Produktvarianten
Tetrixx Compact Einstiegsmodell mit Grundausstattung Zielgruppe: Schulen, Kurse der Mittelstufe Tetrixx Advanced Fortgeschrittenenmodell mit erweiterter Sensorik und Aktorik Zielgruppe: Schulen, Kurse der Oberstufe, Projektarbeiten Tetrixx Research Zielgruppe: Universitäten und Forschungseinrichtungen Tetrixx Industrial Zielgruppe: Prototypenbau, Lehrwerkstätten

123 Tetrixx Roboterbaukasten
Einsatzgebiete Projektarbeiten Teamarbeit Physik Mathematik Informatik interdisziplinäre Kooperationen Tetrixx Komponenten: Mechanics Sense Tronics Control

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125 __TCSI COURSE ORGANIZATION

126 Organizational Issues
Finance Staff Requirements: equipment and rooms Acquisition of robot equipment Project organization Project scheduling Competitions RoboCup German Open in Paderborn RoboCup Junior in Seattle Project evaluation Public Relations

127 Finance Pilotprojekte
weitere Anträge für Infrastruktur und Rahmenprojekt Industriekontakte Schulische Aktivitäten TCSI stellt Rahmenprojektbeschreibung eigene Mittel? Elternbeirat? lokale Sponsoren? Bürgermeister/Landrat Banken technisch orientierte Firmen

128 RBL Requirements Computer room with one computer per team Tools
Electronics tools: soldering iron, multimeter Extra tables Space for test environment

129 Technische und räumliche Anforderungen
Rechnerraum mind. 1 Rechner je Team ggfs. zusätzliche Tische Raum für Testumgebung Werkzeug Lötkolben Messgeräte Multimeter Oszilloskop im Rechner Material

130 Staff mindestens ein Betreuer besser zwei ehemalige Schüler
Ruheständler

131 Project Organization TCSI braucht einen festen Kontakt je Schule
Anschrift Telefon, Telefax Infoveranstaltungen Projektbeschreibungen

132 Project Scheduling Beginn der Kurse/AGs von Januar bis März
regionale Treffen sobald sinnvoll regionale Wettbewerbe März bis Mai deutsche Meisterschaften Paderborn Anfang Juni RoboCup Junior Anfang August Wettbewerbsbedingungen noch nicht ganz fest werden per web site/ bekannt gegeben

133 Robot Kits TCSI can coordinate acquisition effort: Lego Mindstorm Kits
Lego extensions and extra parts Tetrixx Compact Kits Tetrixx Extension Kits Tetrixx Boards Order noch vor Weihnachten Was braucht wer?

134 Project Evaluation Betreuung durch pädagogisches Seminar Uni Ulm
evtl. weitere Evaluationsaktivitäten Anfangsdokumentation projektbegleitende Dokumentation

135 Public Relations enorm wichtig:
Bitte alle Reaktionen sammeln und an uns weiterleiten! lokale PR-Aktivitäten TCSI-Aktivitäten Kick-Off Events Mitgliederversammlung

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137 __TCSI PROJECTS

138 TCSI 2000/2001 Plan Startup project Talks at schools
Workshops for teachers Pilot projects 8 schools plus seed money Robert-Bosch-Stiftung 1 school plus competition funds City of Ulm Coop projects Regional and national competitions regionals probably in Ulm and Bayreuth nationals in Paderborn, co-located with RoboCup German Open RoboCup Junior projects

139 TCSI Pilot Projects Robert-Bosch-Stiftung, Program NaT-Working
Illertal-Gymnasium Vöhringen Graf-Münster-Gymnasium Bayreuth Johann-Schöner-Gymnasium Karlstadt Gymnasium Unterhaching Holbein-Gymnasium Augsburg Gymnasium Weilheim Werkgymnasium Heidenheim Graf-Eberhardt-Gymnasium Bad Urach City of Ulm, "Bildungsoffensive Ulm" Schubart-Gymnasium Ulm Self-Organized Funding Störck-Gymnasium Bad Saulgau Robert-Bosch-Schule Ulm Richard-Wagner-Gymnasium Bayreuth Maristenkolleg Mindelheim ... M T A T A M M T ...

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141 __TCSI STATISTICS

142 TCSI Statistics as of March 2001: >15 schools involved
>40 teachers involved ~300 kids participating ~120 robot kits delivered

143 Activists

144 Aktivisten Universität Ulm
Kraetzschmar, Enderle, Sablatnög, Simon, ... Maschke, Neubeck, Ritter, Schäffer, ... Universität Erlangen/FORWISS Geistert, Hogl, Klarner, Siddiqi, ... TU München Baier, Mayer, ... Pädagogen Bader, Roth, Frei, Schmauch, Blässing, ... Zeller, Scherzer, ...

145 Lobbyists

146 Lobbyisten Universität Ulm Prof. Dr. Günther Palm, Neuroinformatik
Prof. Dr. Jörg Kaiser, Rechnerstrukturen Prof. Dr. Hans Wolff, Rektor der Universität Ulm Prof. Dr. Hellmuth Partsch, Programmiermethodik Prof. Dr. Friedrich von Henke, Künstliche Intelligenz Prof. Dr. Jacobo Toran, Theoretische Informatik Dr. Erhard Stupperich, Mikrobiologie Universität Erlangen ?? Universität Würzburg

147 TCSI Sponsors University of Ulm University of Erlangen
Robert-Bosch-Stiftung Wonderbits GbR, Ulm Schema GmbH, Nuremberg hopefully soon: City of Ulm

148 Lobbyisten Universität Ulm Prof. Dr. Günther Palm, Neuroinformatik
Prof. Dr. Jörg Kaiser, Rechnerstrukturen Prof. Dr. Hans Wolff, Rektor der Universität Ulm Prof. Dr. Hellmuth Partsch, Programmiermethodik Prof. Dr. Friedrich von Henke, Künstliche Intelligenz Prof. Dr. Jacobo Toran, Theoretische Informatik Dr. Erhard Stupperich, Mikrobiologie Universität Erlangen ?? Universität Würzburg

149 Teilnehmer Lehrfortbildung Vöhringen
BW Schubart-G Ulm Robert-Bosch-Schule Ulm Graf-Eberhard-G Bad Urach Werkgym. Heidenheim Dietrich-Bonhoeffer-G Metzingen Störck-G Bad Saulgau G Blaubeuren G Isny Karl-von-Frisch-G Dußlingen Johannes-Keppler-G Weil der Stadt BY Illertal-G Vöhringen Graf-Münster-G Bayreuth G Unterhaching Holbein-G Augsburg G Weilheim Richard-Wagner-G Bayreuth Maristenkolleg Mindelheim G Donauwörth Rupert-Ness-G Ottobeuren Allgäu-G Kempten G der Salesianer Buxheim G Königsbrunn G Marktoberdorf Joseph-Bernhart-G Türkheim Kolleg der Schulbrüder Illertissen G Lindenberg Simpert-Krämer-G Krumbach Vöhlin-G Memmingen

150

151 __ROBOCUP SLIDES

152 The RoboCup Initiative
A new, long-term research challenge: Can we construct and program a team of humanoid robots, which can beat the current soccer world champion team in match played under FIFA rules? Football / Soccer with robots Highly interdisciplinary research activity Robotics Materials Science Embedded Systems Distributed Systems Neurocomputing Artificial Intelligence Cognitive Science

153 Die RoboCup Initiative
Eine neue, langfristige Herausforderung: Können wir ein Team von humanoiden Robotern konstruieren und programmieren, welches in einem nach den Regeln der FIFA durchgeführten Fußballspiel den amtierenden Weltmeister schlägt? Fußballspielen mit Robotern Interdisziplinarität Robotik Künstliche Intelligenz Neuroinformatik embedded systems, verteilte Systeme, ... Materialwissenschaften Kognitionswissenschaft

154 RoboCup Current Activities
Scientific challenges Scientific Challenge Award Engineering Challenge Award Synthetic agent challenges Simulation League Automatic coach challenge Automated commentator systems Physical agent challenges Middle-size robot league Small-size robot league Legged robot league More than 2500 active scientists world-wide!

155 Aktuelle Aktivitäten Synthetic agent challenges Simulation League
Automatic coach challenge Automated commentator systems Physical agent challenges Middle-size robot league Small-size robot league Legged robot league Scientific challenges Scientific Challenge Award Mehr als 2500 beteiligte Forscher

156 Video Demos RoboCup-98 Video Clips simulation league small-size league
middle-size league Sony league RoboCup-99 Video Clips of F-2000 tournament

157 RoboCup Pictures

158 Deutsche Beteiligung am RoboCup
Simulationsliga etwa 10 deutsche Teams Humboldt (97 Weltmeister, 98 Vize), Freiburg (99 Vize) DFKI 98 Preisträger bei automated commentator systems Middle-size robot league 6 deutsche Teams davon 4 in BW: Freiburg (98 Weltmeister, 99 Halbfinale), Tübingen (98 Vize), Stuttgart, Ulm (99 Viertelfinale) TU München, GMD Bonn mindestens zwei weitere im Aufbau Small-size robot league FU Berlin 99 Vizeweltmeister TU Ilmenau Legged robot league Humboldt-Universität Berlin

159 Motivation for The Ulm Sparrows
Ausbildungsaspekte Fortsetzung von Übungen und Praktika Forschungsaspekte Spatial Modeling, Learning, RCA, NSI, ECB Projektarbeit unter industriellen Randbedingungen Teamarbeit Limitiertes Budget Harte Termine, großer Zeitdruck Integriertes Gesamtsystem Konkurrenzsituation Fun (nevertheless)

160 RoboCup: An Educational Perspective
RoboCup is an ideal environment for educational purposes! Students develop a complete system with substantial complexity with a very hard deadline with a very limited budget within a team and gain experience in international meetings! Wow! That is exactly the kind of experience that industry tells us students should have!

161 RoboCup New Activities
RoboCup Humanoid League Soccer with humanoid robots First demonstrations in Melbourne 2000 Demonstration league in Seattle 2001 RoboCup Rescue "agent technology for desaster management" Simulation of earth quakes, fires, and similar desasters Development of technologies for saving lives RoboCup CAMP Spring school RoboCup RoboCup Junior RoboCup for children and high school students

162 Neue Aktivitäten RoboCup Humanoid League
Fußball mit humanoiden Robotern 2001 erster Demonstrationswettbewerb RoboCup Rescue Simulation von Erdbeben und ähnlichen Katastrophen "agent technology for desaster management" Entwicklung von Technologien zur Lebensrettung RoboCup CAMP Frühjahrsschule RoboCup RoboCup Junior RoboCup für Kinder und Schüler

163 RoboCup CAMP 2000 Video Demo match "ART Italy 2000" vs. "The Ulm Sparrows" Results: 1-1 tied after regular time, 0-2 in penalty kicks

164 RoboCup Rescue Video Very preliminary preview of RC Rescue simulator

165 RoboCup Humanoid Robot Video

166

167 __ROBOCUP JUNIOR SLIDES

168 RoboCup Junior RoboCup event for high school students (~ 10-18 years)
First official events in 2000, Amsterdam and Melbourne RoboCup Jr League Adaption of small-size robot league environment LEGO Mindstorms Robotics Invention/RoboLab kits IR-emitting ball

169 RoboCup Junior Wettbewerb für Schüler
Erstmals beim RoboCup-2000, Melbourne RoboCup Junior Soccer League Adaption der Umgebung von small-size robot league IR-emittierender Ball RoboCup Junior Dance Competition RoboCup Junior Rescue Competition

170

171 __WONDERBITS SLIDES

172

173 __CONCLUSION SLIDES

174 Conclusions Robotics is fascinating!
Robotics is a great motivational tool. Robotics should be instrumentalized for education. Educational robotics needs more technology and products. Need national organizations to promote educational robotics. TCSI - The Cool Science Institute provides a model for that. RoboCup Federation can play a central, coordinating role in promoting international activities for educational robotics.

175 Zusammenfassung Ein wichtiges gesellschaftliches Problem
Eine gute Idee Es gibt Leute, die die Idee umsetzen wollen Ein Realisierungskonzept ist vorhanden Eine Strategie zur Finanzierung ist in Arbeit Will die Fakultät für Informatik dies unterstützen?

176 A new educational path 6 years play Lego Technic
9 years play Lego Mindstorm 12 years play RBLs 15 years play RoboCup Jr 18 years play RoboCup simulation 21 years play RoboCup middle-size (F-2000) 24 years play RoboCup Rescue 27 years play entrepreneur 30 years playboy

177

178 __ORGANIZATIONAL SLIDES

179 Announcement Robotics in Education
Talk by Professor Elizabeth Sklar, Boston College Robotics in Education January 9, 2001 at 5pm University of Ulm, Oberer Eselsberg, O27, H20

180 Discussion of Lab Time Experience Feedback Mechanics Sensors
Electronics Programming

181 Wrap-Up Session Feedback on the course what was good? what was bad?
what was missing? what was boring?

182

183 __VIDEO SLIDES

184 Videos RoboCup Junior Event, Melbourne, Australia, September 2000
Mädchen und Technik 2000, Erlangen, Germany, September 2000

185 RoboCup Junior Video

186 RoboCup Rescue Video Very preliminary preview of RC Rescue simulator

187 Video RBL-99: Success

188 Video RBL-99: Some problem here ...

189 Video RBL-99: Direction okay

190 Video RBL-99: Backing up ...

191 Video RBL-99: Take it back home

192 Video RBL-99: Where is my home?

193 Video RBL-99: Oops! Wrong address ...

194 Video RBL-99: Get outta here!

195 Video RBL-99: Head on head

196 Video RBL-99: Always along the line ...

197 Video RBL-99: Power of Subsumption

198

199 __MEETING SLIDES

200 ___MEETING VDMA

201 eine strategische Partnerschaft?
TCSI + VDMA eine strategische Partnerschaft?

202 Topics The Cool Science Institute Zielsetzungen und Zwecke
Mittel und Wege Produkte und Dienstleistungen Finanzierung, Personen, Organisation VDMA (und Robotik in den Schulen) Ziele und Motivation Zusammenarbeit Rahmenbedingungen Planung weiterer Aktivitäten

203 Opportunities for Cooperation
Mitgliedschaft VDMA im TCSI DIL: Director of Industrial Liasion (Vorstand Industriekontakte) Suchen und Finden industrieller Sponsoren Hannovermesse Industrie Sponsoring RoboCup Open, Paderborn Sponsoring RoboCup Junior, Seattle

204 ___MEETING RC GERMAN OPEN

205 RoboCup Junior German Open
organized by HNF + AK RoboCup + TCSI + RIDS + VDMA?

206 Topics Events RC Junior Soccer Tournament (RIDS+TCSI)
RC Junior Dance Exhibition (TCSI) RC Junior Rescue Exhibition (TCSI) Organizational Frame Equipment Location Dates Travel Accomodation Social Program Financial Issues Organizers Sponsors

207 TCSI Contributions 8-10 Teams (20-50 People)
large uncertainty because of school vacations in BY/BW Will arrange bus for travel may arrive Friday evening should leave mid-afternoon on Sunday Will arrange Dance and Rescue exhibition events Will arrange Soccer tournament jointly with RIDS can bring extra fields will check availability of PCs May be able to sponsor our people almost completely Have to bring someone from Robert-Bosch-Stiftung May be able to find additional sponsors through VDMA Can advertize event at CEBIT + HMI if desired

208 Needs travel directions cheap accomodation
help with registration, esp. on-site, and printed programs equipment tables, chairs, maybe lockers lighting speaker equipment for announcements probably PC equipment social program unlimited free coffee + soft drinks unlimited free pizza admission to RCGO party

209 ___MEETING OB HARTUNG

210 Synergien Ulm-Projekte/TCSI/Uni
Ulmer Projekte: Schubart-Gymnasium Robert-Bosch-Schule Robert-Bosch-Stiftung: Starthilfe-Projekt ( ,-) nationale Wettbewerbe ( ,-) Universität Ulm: studentische Hilfskräfte (~50.000,-) Nutzung der Infrastruktur (~ ,-) Betreuung der Projekte (~90.000,-) Wirtschaft Teilnahme am RoboCup Junior (>30.000,-) Sonstige Partizipation an den Ergebnissen des Rahmenprojekts

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213 Adresse Dr. Gerhard Kraetzschmar Universität Ulm
The Cool Science Institute Abteilung Neuroinformatik James-Franck-Ring 89069 Ulm Tel: Fax: Net: Web: