Voetbal voor robots

Herbert Blankesteijn

In de tweede week van juli zal in Padua, Italië, worden bepaald wie zich het komende jaar wereldkampioen voetbal mag noemen. Geheel ten onrechte zullen de omroepen er geen zendtijd aan besteden en de kranten geen drukinkt. Het gaat namelijk om de WK voetbal voor robots. Er doet een sterke Nederlandse afvaardiging mee. Philips CFT werd onlangs Europees kampioen; het deels Delftse Clockwork Orange werd daarbij in de kwartfinale door Philips uitgeschakeld, na eerder een oefenwedstrijd in Eindhoven te hebben gewonnen.

'Robocup, de wereldorganisatie voor robotvoetbal, heeft een concreet doel. Dat is om in 2050 met humanoid robots, dus robots met een menselijke gedaante, de menselijke wereldkampioenen te verslaan,' legt dr.ir. Pieter Jonker uit. Jonker is de leider van Clockwork Orange en werkt aan de vakgroep Patroonherkenning van de TU Delft. Hij werkt in Clockwork Orange samen met de UvA en de VU.

Robots met armen en benen zullen in Padua wel optreden, in de humanoid league, maar de verwachting is dat zij er niet veel van terecht zullen brengen. Pieter Jonker en zijn rivalen van Philips doen mee in de middle size league, die over het algemeen de meeste aandacht trekt. Daarnaast is er een small size league, een four legged league met teams van Aibo-robothondjes en een simulation league, waarin gesimuleerde teams het in een soort autonoom computerspel tegen elkaar opnemen. In de laatste klasse domineert al jaren de Universiteit van Amsterdam in de persoon van Jelle Kok. Robocup-toernooien worden gehouden sinds 1999.

In de middenklasse, waarin Clockwork Orange en Philips optreden, spelen teams van vier kniehoge robotjes op wielen. Het veld is tien bij vijf meter. Een robot mag niet zwaarder zijn dan 80 kg. Ook zijn er grenzen aan de omvang: niet hoger dan 80 cm, doorsnede maximaal 63 cm. De bouwers mogen zelf weten wat ze aan mechanica, electronica en software in hun machientjes stoppen zolang het geen gevaar oplevert voor tegenstanders of publiek.

Wie getuige is van wedstrijden tussen dergelijke creaties heeft moeite te geloven dat hun nazaten de Kluiverts en Van Nistelrooijs van 2050 moeten overtreffen dan wel in bedwang houden. De robots zijn traag, hebben moeite de bal te vinden en kunnen hem ook niet goed aannemen of bij zich houden, lopen elkaar in de weg en spelen niet behoorlijk samen. Peuters van drie moeten anno 2003 van de robot-wereldkampioen kunnen winnen.

'Nieuwkomers denken nog altijd, wat is dat voor gekluns,' bevestigt Pieter Jonker vanuit de dug-out bij het Europees kampioenschap 2003 in Paderborn. 'Maar het is enorm vooruitgegaan de laatste jaren.' Hij doet mee sinds 1999, toen het team, destijds nog met de Universiteit Utrecht erbij, robots kocht bij de firma Nomad, Pentiumborden inbouwde en camera's en framegrabbers erop zette. Bij de Europese kampioenschappen 2000 in Amsterdam staat 'The Dutch Team' voor het eerst in de uitslagen, als vierde van de vijf in groep A, met één gewonnen wedstrijd. Sindsdien is Clockwork Orange (CO), inmiddels zonder Utrecht dat is overgelopen naar Philips, een vaste gast in de kwartfinales van de grote toernooien. Vorig jaar haalde CO de halve finale van het Europese toernooi, dat ook toen door Philips CFT werd gewonnen.

De vooruitgang is inderdaad meetbaar, althans benoembaar. 'Zo hebben we dit jaar een beter algoritme voor lokalisatie, waarbij de spelers zich oriënteren op de lijnen van het veld,' legt Jonker uit. 'Maar we worden wel eens geconfronteerd met onverwachte effecten. Zo bleek onze keeper, die vroeger nooit z'n doel verliet, op een gegeven moment te denken dat hij de middellijn moest gaan staan verdedigen. Even later kreeg hij zijn vergissing in de gaten en ging hij weer terug, maar met het huidige spelniveau is de kans groot dat een dergelijke fout wordt afgestraft.'

'We hebben een extra oriëntatiemiddel in de vorm van een kompas op de seriële poort. Dat meet het aardmagnetisch veld in drie richtingen zodat je de oriëntatie weet van de robot.' Een kompas? Is dat niet overdreven op een voetbalveld? Je geeft studenten toch ook geen kompas om hun hoogleraar in de collegezaal te lokaliseren? Jonker legt uit: 'De robots hebben natuurlijk de camera's waarmee ze de doelen en de lijnen kunnen zien, maar die camera zit 30 cm boven de grond. Soms lopen er andere robots in de weg en zien ze het even niet. Bovendien is die camera te vergelijken met één oog, dus de robots zien geen diepte. Dan geeft het kompas uitsluitsel.'

Ook andere teams maken vorderingen, en sommige vondsten leveren zoveel voordeel op dat de een na de ander ze overneemt. Waar CO een kompas hanteert en voormalig kampioen Freiburg in voorgaande jaren voorzien was van een laser range finder, een soort radar op basis van een laserstraal, hebben talrijke teams in 2003 een camera die niet in horizontale richting kijkt of schuin naar beneden, maar recht omhoog. Daar, op de maximaal toegestane hoogte, is dan als een soort kraaiennest een halfronde spiegel gemonteerd. Via die spiegel ziet de robot in één oogopslag het hele veld, inclusief de doelen en de posities van medespelers en tegenstanders, en kan hij ook zijn eigen positie binnen de lijnen precies bepalen.

Verder zijn dit jaar plotseling constructies in zwang met drie zwenkwieltjes, waardoor de robot in elke willekeurige richting kan rijden. Vorig jaar maakte Philips CFT bij de Europese kampioenschappen, toen debuterend op een groot toernooi, indruk met robots die vier onafhankelijk aangedreven en bestuurde zwenkwielen hadden. Deze konden, als ze in bezit van de bal kwamen, er in één beweging omheen draaien om hem in de juiste richting op te drijven. Andere robots waren in een dergelijke situatie soms gedwongen eerst voorbij de bal te rijden, dan te keren, om dan pas de bal in de juiste richting mee te nemen. Maar soms was een ander er dan al mee vandoor. Philips is nu niet meer de enige die dit voordeel heeft.

Een ander Eindhovens wapen heeft nog geen ander team geïmiteerd. De robots van Philips schieten de bal met een metalen veer, die een aantal keren per minuut opnieuw kan worden gespannen. Deze veer schiet de bal met 30 km per uur weg, wat de keeper kansloos laat. Alle overige teams, ook Clockwork Orange, schieten met perslucht en produceren zo rollertjes - waar de keepers overigens moeite genoeg mee hebben. De schotkracht van de Philips-robots heeft geleid tot pogingen van andere teams om de regels aan te passen, maar dat is niet gelukt.

Ook Philips heeft dit jaar trouwens een nieuwtje op het gebied van de lokalisatie. Alle robots van dit team hebben een optisch systeem in de bodem dat kan zien hoe de vloer onder de robot doorbeweegt. Meest opvallende onderdeel als de robot met de wieltjes omhoog ligt, is een rood lampje. Inderdaad, als vier 80 kilo zware optische muizen bewegen de leden van het Philips-team (overigens Anton, Frits, Gerard en Henk genaamd) over het veld. De coach van Philips CFT, Hans Sprong, legt het belang hiervan uit: 'De robots zien nog wel eens een blauw of geel object buiten het veld aan voor een doel, en schieten daar dan op. Of ze denken dat een oranje voorwerp de bal is en rennen daar op af. Als ze weten waar ze zelf zijn, weten ze ook wat zich binnen het veld bevindt en wat erbuiten, en maken ze dat soort vergissingen niet meer.' Tijdens het EK in Paderborn, dat Philips dus won, werkte deze lokalisatie al wel, maar werd er in de tactische software nog geen gebruik van gemaakt. Dat zal volgens Sprong in Padua bij de wereldkampioenschappen wel het geval zijn.

De bijdrage van 'Delft' aan Clockwork Orange is volgens Pieter Jonker vooral low level: zaken als voortbewegen en zien, tot en met de interpretatie van de beelden. De Amsterdamse bijdrage is vooral high level: op het terrein van de intelligentie. Zonder de collega's tekort te willen doen benadrukt Jonker het belang van de low level zaken: 'Als die onderdelen werken, heb je maar een beetje intelligentie nodig om in elk geval iets te kunnen bereiken. Omgekeerd geldt dat niet: als je heel veel intelligentie hebt, ben je hulpeloos als de voortbeweging, het schot of de patroonherkenning faalt.'

'Alles wat je intelligenter maakt, schept de mogelijkheid voor fouten. Niet alle intelligentie is praktisch. Je kunt beter nauwkeurig zijn op een laag niveau, dan hoef je bovenaan niet zo slim te doen.'

Het intelligente gedrag zit hem er onder andere in dat in het veld twee spelers als verdedigers worden aangewezen en een als aanvaller. Wie de bal heeft, geeft dat via het draadloze netwerk door aan de medespelers, zodat niemand een ander in de weg loopt. Zo wordt 'F-pupillengedrag', zoals Jonker het noemt - met zijn allen op een kluitje bij de bal - voorkomen. Echt combinatievoetbal is nog door geen enkel Robocup-team vertoond, mede doordat het mechanieken om een bal aan te nemen zo moeilijk te maken zijn.

Wat nog wel voorkomt, is dat hele of halve teams roerloos op het veld staan. De draadloze netwerken van verschillende teams willen elkaar vaak storen, maar daarbij blijft het niet. Jonker: 'Vorig jaar hadden we dat nog in de kwartfinale tegen Freiburg. Het veld was toen statisch en we hadden rubberen wielen. Er sloegen vonken van centimeters over en drie van onze spelers waren lamgeslagen. Tegen Freiburg heb je dan zo een paar doelpunten om je oren.'

Het robotvoetbal is volgens Pieter Jonker een leuke studententrekker. 'Het is een soort man-op-de-maan-project. Studenten willen graag onderzoek doen met een praktische vraagstelling.' Er zijn ook sponsors, en die dragen namen als Jonat Automatisering (een bedrijf dat camera's levert), TPD-TNO, FEL-TNO, uiteraard de TU Delft zelf, en voorts Hans de Vries Potplantencultures. 'Dat is een bedrijf met interesse in het plukken van plantenstekken met behulp van robots,' verklaart Jonker.

Hoewel CO en Philips CFT in Europa geduchte teams zijn, is het allesbehalve zeker dat ze in Padua het podium halen. Niet alleen zit een technisch euvel in een klein hoekje, ook zijn vooral de Japanse tegenstanders van hoog niveau. Van de zes podiumplaatsen in de afgelopen twee jaar gingen er vijf naar Japanse teams. Eigen, van de universiteit van Keio, werd in 2001 derde en vorig jaar kampioen. Trackies uit Osaka werd achtereenvolgens tweede en derde, en vorig jaar was WinKIT, van het Kanazawa Instituut voor Technologie, de runner-up. Alleen Freiburg kon in 2001 alle Japanners verslaan.

De robots van Clockwork Orange zijn uitgerust met sensoren:

= Een odometer, die wielomwentelingen telt.

= Een camera.

= akoestische sensoren voor een soort sonarwaarneming.

= Een kompas.

Daarnaast zijn er de volgende actuatoren:

= Aandrijving voor linker- en rechterwiel apart.

= Perslucht voor het schot.

Op een hoger niveau zijn er virtual devices:

= 'Motion': een eenheid die het commando 'Ga nu twee meter vooruit' kan uitvoeren.

= 'Vision' kan antwoord geven op vragen als 'Waar is de bal?' of 'Waar is het doel?'

= Wireless LAN voor de communicatie

Weer een stapje hoger in de hiërarchie staan de player skills, zoals:

= Standaardhandelingen waartoe een speler kan besluiten als 'Go to ball' en 'Dribble to goal'.

= Reflexen, die onder bepaalde omstandigheden voorrang opeisen. Bijvoorbeeld het vermijden van botsingen, en de license to shoot: als een speler de bal heeft, het doel ziet en niet te ver weg is, moet hij meteen schieten.

= Een kortetermijngeheugen van wat er achter de robot moet zijn. Dit vervaagt steeds omdat deze informatie verouderd kan zijn zonder dat de robot dat weet.

De module team skills staat daar weer boven.

= Schat de kans op succes van iedere actie.

= Bepaalt wie verdediger is en wie aanvaller.

= Regelt dat een aanvaller zich terugtrekt als een verdediger oprukt.

Tenslotte fungeert een laptop langs de lijn via het draadloze netwerk als mission manager, ofwel als coach.

= Deze zorgt onder andere voor een heartbeat die de communicatie coördineert.

= Als de computer aan boord van een van de robots crasht, zal de mission manager deze weer pogen op te starten.