voetbalrobots

Dit jaar vindt het wereldkampioenschap robotica heel dicht bij huis plaats: aan de TU Eindhoven. En ook de voetbalrobots van de Technische Universiteit Eindhoven azen tijdens deze RoboCup weer op de hoofdprijs. Zou het ze gaan lukken?

De verwachtingen zijn hooggespannen. Vorig jaar werden de Nederlandse TURTLES – middelkleine voetbalrobots – namelijk wereldkampioen. Dat maakt de Robocup die dit jaar van 26 tot 30 juni in Eindhoven plaatsvindt, extra bijzonder. De Nederlandse voetbalrobots spelen namelijk niet alleen een thuiswedstrijd, ze moeten ook nog eens hun titel zien te verdedigen. En het is zeker niet vanzelfsprekend dat dat gaat lukken, zo vertelt teamleider Robin Soetens. “RoboCup is een open source-project dus ieder team maakt alle tekeningen en software openbaar. Juist omdat wij nu de titelverdedigers zijn, wordt er veel van onze aanpak overgenomen. We moeten dus nieuwe dingen bedenken om de andere teams toch weer voor te blijven. Daar zijn we gelukkig direct na het winnen van het WK mee begonnen, maar je weet nooit zeker of alle plannen die we hebben ook echt gaan werken.”

De TURTLES.

De TURTLES.

De TURTLES
De robots van Soetens en zijn collega’s nemen deel aan de zogenoemde Middle Size-league. Dit is een wedstrijdleague voor kleine robots die niet op afstand bestuurd worden, maar autonoom functioneren. Dat betekent heel concreet dat de TURTLES weten waar zij zijn, waar de bal is, waar de tegenstander is, waar de teamgenoten zijn en waar het doel is. En op basis van al die informatie maken de robots keuzes die uiteindelijk – hopelijk – resulteren in goals. De robots voetballen in een team van vijf op een veldje van achttien bij twaalf meter. Net als echte voetballers kunnen de robots de bal van elkaar afnemen en de bal naar andere voetballers passen. En net als echte voetballers moeten ook de robots zich aan de regels houden. Dat betekent een gele of zelfs rode kaart voor robots die te agressief geprogrammeerd zijn of expres tegen elkaar aanbotsen.

TUlip: een 125 centimeter hoge en 25 kilo zware robot.

TUlip: een 125 centimeter hoge en 25 kilo zware robot. “Alle sensoren op de robot moeten volgens de regels van de league representatief zijn voor de menselijke zintuigen. Zo zijn laser range finders en infraroodmetingen (Microsoft’s Kinect) niet toegestaan,” vertelt Van Zutven.

TUlip
Met het wereldkampioenschap van vorig jaar nog vers in het geheugen, wordt er veel van de TURTLES verwacht. Maar wie denkt dat alleen de TURTLES de Hollandse eer kunnen redden, heeft het mis. Er is namelijk nog een Nederlandse voetbalrobot die dit jaar op de prijzen aast. En dat is TUlip. Het is een hele andere robot dan de kleine TURTLES: TUlip is een humanoid, oftwel een mensachtige robot. “In onze league, de humanoid league, moeten de robots dezelfde lichaamsbouw als mensen en zo veel mogelijk menselijke proporties hebben,” vertelt teamleider Pieter van Zutven. “Daarom heeft TUlip twee benen om te lopen, een hoofd met camera’s om te kijken en een inertial measurement unit (IMU) als evenwichtszintuig en twee simpele armen die we op dit moment nog niet functioneel gebruiken.” Net als de TURTLES functioneert TUlip autonoom. De voetbalrobot speelt niet in een team, maar één tegen één. Hij moet penalty’s nemen en stoppen. Doet hij dat beter dan zijn tegenstander, dan wint hij. Het klinkt simpel, maar dat is het zeker niet. “De oranje bal wordt op een willekeurige plek achter de robot (die de penalty moet nemen, red.) in het veld gelegd. Deze moet de bal zien te vinden met zijn camera’s. Omdat de bal altijd oranje is gebruiken alle teams software om een oranje vlek in het beeld te herkennen en hiermee te schatten waar de bal zich ten opzichte van de robot bevindt. Vervolgens moet de robot zijn benen gebruiken om naar de bal te lopen. Tijdens het lopen gebruikt de robot de IMU en sensoren in al z’n gewrichten om in balans te blijven. Dit is de grootste uitdaging in onze league. Lopen op twee benen is heel ingewikkeld, omdat het zwaartepunt van de robot relatief hoog boven de grond ligt en je maar kleine voeten hebt om correcties uit te voeren. Onderzoekers zijn er nog niet in geslaagd uit te vinden hoe het kan dat een mens zich zo eenvoudig op twee benen weet voort te bewegen. Het blijkt extreem moeilijk te zijn om uit te rekenen waar je je voet moet plaatsen zodat je niet omvalt. Tijdens de wedstrijden is het in principe toegestaan dat de robot valt en weer opstaat, maar de robots in onze klasse (adult-size) zijn nog te kwetsbaar om ze te laten vallen, dus er loopt iemand uit het team met de robot mee en vangt deze op wanneer hij z’n balans dreigt te verliezen. Hierdoor is deze penalty-poging wel ongeldig, want de robots mogen tijdens de wedstrijd natuurlijk niet aangeraakt worden. Als de robot bij de bal gekomen is, moet hij de bal terug over de middellijn dribbelen. Als de bal over de middellijn is, mag de robot deze op goal schieten. De keepende robot in de goal moet proberen de bal tegen te houden. De robot krijgt 2,5 minuut om dit voor elkaar te krijgen. Beide robots krijgen vijf pogingen en wie het vaakst scoort heeft de wedstrijd gewonnen.”

De FIFA-wereldkampioen verslaan

Wie denkt dat het sleutelen aan voetbalrobots voornamelijk een leuk verzetje is dat verder geen hoger doel dient, heeft het mis. Uiteindelijk moet het werk dat studenten wereldwijd verzetten en tijdens de RoboCup presenteren, leiden tot de ontwikkeling van een mensgelijkende voetbalrobot die in 2050 de FIFA Wereldkampioen kan verslaan. Om die doelstelling te halen, moet er hard gewerkt worden, zo stelt Van Zutven: “Eigenlijk zijn alle aspecten van de robots nu nog een hindernis om tegen een mens te kunnen voetballen. De belangrijkste voor ons is het lopen, dit gaat nog lang niet robuust, snel en energie-efficiënt genoeg om het tegen topvoetballers op te kunnen nemen. Maar ook het zicht van de robot is nog een grote hindernis. De huidige camera’s staan nog in schril contrast met hoe goed onze ogen de omgeving kunnen waarnemen. Verder is de intelligentie van de robots nog enorm onder de maat. Al met al verwacht ik dat het zeker tot 2050 gaat duren voordat robots in staat zijn tegen topvoetballers te voetballen.”

Verbeteringen
Zowel aan TURTLE als aan TUlip is het afgelopen jaar weer hard gesleuteld. “Wij willen dit jaar nog beter over kunnen spelen,” vertelt Soetens. “We hebben het mechanisme waarmee we de bal aannemen helemaal opnieuw ontworpen en werken aan een manier om het schieten van de bal automatisch opnieuw af te stellen als de robot merkt dat zijn ballen telkens niet lekker aankomen. Dat doen we met een lerend algoritme. Qua strategie zorgen we dat we naast de één-tweetjes die we het voorgaande seizoen gebruikten, ook in de befaamde driehoekjes over kunnen spelen.” En ook TUlip is verbeterd. “Tijdens RoboCup 2012 bleek dat TUlip niet snel genoeg was om de penaltywedstrijd binnen 2,5 minuut te doen, dus we hebben een aantal zaken aangepast om TUlip sneller te maken. Ook qua software hebben we wel veel aangepast. Zo hebben we de regeling die de gewrichten aanstuurt, verbeterd. Verder hebben we een lerende regelaar geïmplementeerd. Lopen bestaat uit repeterende bewegingen; elke stap is in principe hetzelfde, dus TUlip onthoudt nu welke krachten hij gebruikt in elke stap en analyseert of de beweging die hij maakte overeenkwam met een gewenste beweging. Dit zal nooit precies overeenkomen, dus TUlip past z’n krachten aan om de beweging te verbeteren en leert dus zo uit voorgaande stappen.”

De TURTLE-keeper in actie.

De TURTLE-keeper in actie.

Concurrentie
De aanpassen zijn zeker geen overbodige luxe, want de competitie is in beide leagues moordend. Zo moeten de TURTLES op hun hoede zijn voor voetbalrobots uit China, Portugal en Iran, vertelt Soetens. “China en Portugal moeten het met name hebben van precisiewerk bij het nemen van vrije trappen. Op twintig meter afstand mikken ze nog feilloos in de kruising. Het Iraanse team staat bekend om sterke pingel-acties met fysiek sterke robots.” TUlip doet er goed aan om de Chinezen en Japanners in de gaten te houden. “Team Tsinghua Hephaestus van Tsinghua University uit Peking, China is een sterke concurrent,” stelt Van Zutven. “Deze robot is al een aantal jaar op rij tweede geworden. Hij is voornamelijk erg snel en weet dus altijd de bal op goal te schieten. Tenminste: als hij niet omvalt. Hij is namelijk niet zo robuust en valt regelmatig om.” En ook het team van de Japanse Osaka Universiteit is een groep om in de gaten te houden. “Deze robot is een middenklasser, net zoals TUlip. Hij heeft geen duidelijke sterke punten, maar presteert gemiddeld op alle gebieden. Het is een belangrijke concurrent voor TUlip omdat we al een aantal jaar met hem strijden om de derde plaats.”

TUlip trekt een gele kaart.

TUlip trekt een gele kaart.

Maar wat verwachten Van Zutven en Soetens – met het oog op hun eigen robot en de concurrentie – nu precies te bereiken? Het is koffiedik kijken, maar Van Zutven hoopt toch echt op een top 3-positie: “Ik verwacht dat we dit jaar in de top 3 kunnen eindigen. Tweede of eerste zou voor ons een topprestatie zijn, maar wij zijn ook tevreden als we TUlip dit jaar snel genoeg krijgen om daadwerkelijk te kunnen scoren binnen de 2,5 minuten.” Soetens gaat er als regerend wereldkampioen zeker niet vanuit dat de robots het kunstje van vorig jaar moeiteloos gaan herhalen. “Het wordt weer erg spannend in juni!”

RoboCup 2013 vindt plaats van 26 t/m 30 juni in het indoor-sportcentrum aan de Aalsterweg in Eindhoven. Toegang is gratis voor bezoekers en voor scholen zijn er workshops en rondleidingen. Meer weten? Kijk op www.robocup2013.org of volg @RoboCup2013 op Twitter.