Boeken

Friday, October 19, 2012

Totaalvoetbal op wielen

Na vier verloren WK-finales won het Tech United-team van de TU Eindhoven op 23 juni 2012 in Mexico eindelijk het wereldkampioenschap robotvoetbal. In 2013 wordt de titel in eigen huis verdedigd. 



Dit artikel is gepubliceerd in I/O Magazine (september 2012) van het ICT-onderzoek Platform Nederland (IPN)

Een paar weken na de met 4-1 gewonnen WK-finale staan twee van de Eindhovens voetbalrobots al weer op het trainingsveld bij de faculteit werktuigbouwkunde. Ze zijn aan de buitenkant gehavend. Door het transport van Mexico Stad naar Eindhoven? “Nee”, zegt masterstudent werktuigbouwkunde Robin Soetens. “Onze Iraanse robottegenstanders in de finale waren per stuk bijna vijf kilo zwaarder. Dat maakt ze logger in bewegingen, maar ook sterker in het fysieke contact. En bij dat fysieke contact hebben onze robots enkele deuken opgelopen.” Soetens zet de twee robots aan, laat ze samenspelen en afwerken op een leeg doel. De bal vliegt er met groot gemak keer op keer in.

De voorbereiding op titelprolongatie is al weer begonnen. Technisch manager van Tech United, werktuigbouwkundige dr. René van de Molengraft, komt net terug van een brainstormsessie over de komend jaar te volgen strategie. De huidige WK-titel noemt hij ‘dik verdiend’. “Eigenlijk hadden we in 2010 al moeten winnen. We domineerden toen het hele toernooi, maar in de finale liet de hardware ons in de steek. In de afgelopen twee jaar zijn we er in geslaagd om de hardware robuust te maken en de software naar een hoger plan te tillen. Dit jaar hebben we voor het eerst de afspeelpass als wapen geïntroduceerd. Vroeger zag je robots alleen lange solo’s uitvoeren. Een nieuwe spelregel verbiedt het sinds dit jaar echter dat een speler over de middellijn dribbelt.”

Halverwege het afgelopen WK begon het samenspel bij Tech United na enkele softwareaanpassingen goed te lopen. En dat leidde tot prachtig samenspel en slim voetbal. De teamleider van Portugal kwam zelfs met tranen in de ogen aan Van de Molengraft vertellen hoe mooi hij het Nederlandse spel vond. “Wij willen niet alleen maar winnen”, zegt de technisch manager. “Net als bij het grote Oranje willen wij dat ook met mooi voetbal doen. Ik zeg wel eens dat wij de robotvariant van totaalvoetbal spelen.”

Is Van de Molengraft wel eens verbaasd over de voetbalkunsten van zijn robotspelers? “Nou en of. Ik heb een keer een Zinedine Zidane-achtige passeerbeweging van een van onze robots gezien. Hij dribbelde met de bal aan de voet. Een tegenstander kwam op hem af. Onze robot draaide tijdens de dribbel om zijn as, ontweek de tegenstander en speelde zichzelf vrij. Eigenlijk spelen twee stukken software die elkaar niet kennen tegen elkaar. Dat leidt tot emergent gedrag dat wij van te voren niet kunnen voorspellen. Het gedrag van de robot hangt af van wat de tegenstander doet.”

Voor Van de Molengraft zijn voetballende robots geen doel op zichzelf. Ze zijn een brug van robots die in een totaal voorspelbare fabrieksomgeving voorgeprogrammeerde taken uitvoeren − zoals al decennialang gebeurt − naar robots die in een onvoorspelbare omgeving multifunctioneel inzetbaar zijn − zoals Van de Molengraft de toekomst voor zich ziet. “De kennis die we met het robotvoetbal opdoen, dragen we ook over naar bijvoorbeeld onze zorgrobot AMIGO. Dat geldt zowel voor de kennis over het fysiek van de robot, als voor kennis op het cognitieve niveau: het navigeren, het vermijden van obstakels en het bouwen van een wereldbeeld.”

De grootste wetenschappelijke uitdaging bij het slaan van een brug tussen opereren in een gestructureerde omgeving en opereren in een ongestructureerde omgeving, ligt op het conceptuele niveau. Hoe kan een robot bijvoorbeeld niet alleen één bepaald soort kopje hanteren, maar elk soort kopje dat wij als zodanig herkennen? Dus met of zonder oortje, rond of rechthoekig, smal of breed, met of zonder inhoud. Van de Molengraft: “Hoe kan de robot het concept ‘kopje’ vormen en dat succesvol toepassen op elk nieuwe soort kopje? Wij mensen kunnen met de ogen dicht een kopje oppakken en naar de mond brengen, omdat we een heleboel voorkennis over de wereld hebben. De grote vraag is hoe robots eenzelfde soort voorkennis kunnen opbouwen.”

Om die brug te slaan, is RoboCup Soccer in de afgelopen jaren uitgebreid met nieuwe competities die zijn gericht op maatschappelijk nuttigere taken dan voetballen. Zo voeren robots in RoboCup Rescue reddingsoperaties uit en in RoboCup@Home huishoudelijke taken. Een belangrijke spin-off van RoboCup is dat de competities studenten enthousiast maken voor robotica-onderzoek. Van de Molengraft: “Dankzij RoboCup trekken we studenten uit diverse disciplines: werktuigbouwkunde, natuurkunde, biomedische techniek en informatica. Ook trekken we studenten die aan een andere universiteit hun bachelor hebben gehaald en aan de TU/e hun master willen doen.”

Alle binnen RoboCup ontwikkelde software is open source, waardoor de kennis zo goed mogelijk wordt gedeeld, uitgebreid en verbeterd. Een geheel nieuwe ontwikkeling, los van RoboCup, maar cruciaal voor de robot van de toekomst, is het Europese project RoboEarth. RoboEarth is een soort World Wide Web voor robots waar ze informatie kunnen delen om van elkaar te kunnen leren over hun gedrag en omgeving. Van de Molengraft: “Het ultieme doel is dat je in de toekomst een robot koopt die maar een beperkt aantal basisfuncties heeft. Als je hem vraagt om een nieuwe taak uit te voeren, dan zoekt hij via RoboEarth op hoe andere robots die taak al hebben gedaan. Die kennis gebruikt hij dan alsof het zijn eigen ervaring is.”




[Kader:]
De fijne kneepjes van het robotvoetbal 

RoboCup Soccer begon in 1997 in het Japanse Nagoya met een competitie voor kleine robots. Die competitie heet nu de Small Size League. Later zijn daar nieuwe competities bij gekomen: Simulation (computersimulaties van voetballende robots in twee en drie dimensies), Middle Size (tot een meter hoog), Standard Platform (waarbij elk team hetzelfde robotplatform gebruikt, bijvoorbeeld NAO-robots) en Humanoid (robots met een mensachtig uiterlijk variërend van veertig centimeter groot tot menselijke grootte).

Het Eindhovense team van Tech United is dit jaar wereldkampioen geworden in de Middle Size League. Hierin spelen twee teams van elk vijf robots tegen elkaar met een officiële FIFA-voetbal. Elk team bestaat uit vier veldspelers en een keeper. De veldspelers mogen maximaal veertig kilogram wegen. Elke speler ziet er uit als een soort kegel op drie wieltjes en rijdt maximaal vier meter per seconde. Twee aparte wieltjes aan de onderkant fungeren als de voeten die de bal mogen spelen. Omdat de bal niet mag worden vastgeklemd tussen de wieltjes, draaien ze allebei rond. Met een schietmechanisme kan de bal worden afgespeeld naar een medespeler of op doel worden geschoten. Afspelen naar een medespeler gebeurt voorlopig alleen nog over de grond. Schieten op doel gebeurt gebeurt wel al door de lucht.

Elke robot heeft een eigen computer en neemt zelfstandig beslissingen. De Eindhovense robot kan 360 graden om zich heen kijken via een camera die gericht staat op een ondersteboven hangende parabolische spiegel. Daarmee ziet de robot scherp tot ongeveer zes meter om zich heen. Nog verder om zich heen kijken zou de snelheid van de beeldverwerking te veel afremmen. Omdat het speelveld twaalf bij achttien meter meet, ziet elke robot dus alleen maar een deel van het totale veld. Hij speelt als het ware in de mist. Dat probleem wordt opgelost doordat de robots onderling communiceren via een WiFi-verbinding. Zo vormt elke robot een beeld van waar hij zelf staat, waar de bal is en waar de mede- en tegenspelers staan.

De vier veldspelers zijn identiek, maar op elk moment spelen er twee de rol van aanvaller en twee de rol van verdediger. Wie verdedigt en wie aanvalt, hangt van de spelsituatie af. De hoofdaanvaller is de speler die de bal heeft. Hij kan de bal eventueel afspelen naar de assistent-aanvaller. De hoofdverdediger probeert de bal van de tegenstander te onderscheppen en wordt geassisteerd door een assistent-verdediger. Elke wedstrijd duurt tweemaal vijftien minuten en staat onder leiding van een menselijke scheidsrechter, die bij te ruw spel ook gele en rode kaarten kan trekken.

Internet
Het Eindhovense RoboCup-team Tech United:
www.techunited.nl/
RoboCup:
www.robocup.org/
http://en.wikipedia.org/wiki/RoboCup
Van 24 tot 30 juni 2013 vindt RoboCup plaats in Eindhoven:
www.robocup2013.org/