Robots op het voetbalveld


Het jaar 2050 is nog negen wereldkampioenschappen voetbal weg. Toch staat er in dat jaar een geweldige wedstrijd op ons te wachten. Tenminste, als het aan RoboCup ligt. RoboCup organiseert het WK-voetbal voor robots. Deze competitie is medio jaren negentig opgezet door de gemeenschap van wetenschappers op het gebied van robotica en kunstmatige intelligentie. In 2050 willen zij het met een elftal van robots opnemen (volgens de FIFA-regels) tegen de regerend wereldkampioen voetbal. En dan winnen natuurlijk!

Voetbalrobots zijn de ‘vleesgeworden’ veertiende man. Metingen, data verzameling en analyse om de voetbalprestaties te verbeteren zitten verankerd in de robots zelf. Waarom houden wetenschappers zich bezig met robotvoetbal? Wat is de stand van zaken en wat mogen we er van verwachten? In gesprek met drie teamleden van het Eindhovense team Tech United (de wereldkampioen robotvoetbal van 2014): technisch directeur dr. ir. René van de Molengraft, teamcaptain Lotte de Koning en Professor Herman Bruyninckx.

Moonshot project

Begin jaren zestig verklaarde president John F. Kennedy van de Verenigde Staten het landen op de maan tot een prestige project voor zijn land. Hij sprak de woorden: “We choose to go to the moon in this decade and do the other things, not because they are easy, but because they are hard.” Een geweldig ambitieus project. Moonshot thinking is een hiervan afgeleid begrip dat door Google wordt gebruikt. Het staat voor projecten waarin een enorme uitdaging wordt aangegaan.

google-moonshot-thinking

Google besteed tijd en middelen aan baanbrekende ontwikkelingen zoals zelfrijdende auto’s en definieert dit als moonshot thinking. ©Google

Voorbeelden zijn Google glass en zelfrijdende auto’s. RoboCup past wat dat betreft ook in dat rijtje. Maar in plaats van mensen op de maan gaat het hier om robots op het voetbalveld! Dit is weliswaar dichter bij huis, maar evengoed een geweldige challenge.

The Dream

We proposed that the ultimate goal of the RoboCup Initiative to be stated as follows: By the middle of the 21st century, a team of fully autonomous humanoid robot soccer players shall win a soccer game, complying with the official rules of FIFA, against the winner of the most recent World Cup. — Internationale RoboCup Federatie.

Van de Molengraft: RoboCup kent verschillende voetbalcompetities. Wij spelen met Tech United in de Middle Size League. Onze robots hebben geen armen en benen. Ze bewegen en spelen autonoom maar ze zijn door ons geprogrammeerd. Op dit moment zijn de regels die we geprogrammeerd hebben vrij eenvoudig. De robots passen hun strategie niet aan op basis van hun waarnemingen van het spel van de tegenstander. Dat is voor de toekomst.

Naast de verschillende voetbalcompetities voor robots zijn ook zorgrobots en reddingsrobots een onderdeel van RoboCup (www.robocup.org). Tech United speelt naast het robotvoetballen ook mee met een zorgrobot, AMIGO (www.techunited.nl)

Ik verwacht dat de verschillende competities op termijn geïntegreerd zullen worden. Dan hebben we één competitie waarin alle kennis en ervaring is gebundeld. Van hieruit gaan we dan verder met de uitdagingen die op dat moment spelen. Of we hiermee een serieuze tegenstander zijn voor mensen in 2050 is voor mij niet het meest belangrijke aspect. Ik ben meer geïnteresseerd in de snelheid en omvang van de aantoonbare vooruitgang die we boeken. Dat we hierbij technologie demonstreren in een voetbalsetting vind ik een leuke bijkomstigheid.”

In de Middle Size League voetballen twee teams van 5 robots die maximaal 52x52x80 cm groot zijn autonoom een potje voetbal. De robots doen alles zelf, mensen mogen slechts de robots in en uit het veld halen. Wel is er een menselijke scheidsrechter. Zijn beslissingen worden in een refbox (computer) ingevoerd. Deze geeft de beslissingen (vrije trap, ingooi ect.) via draadloos netwerk aan de robots door. — //www.Tech United.nl/nl/voetbalrobots

Bulldozerstrategie

Tijdens het afgelopen WK in juli van dit jaar in China verloor Tech United van de eeuwige rivaal – team Water – uit China.

Van de Molengraft: “De Chinezen hanteren een bulldozerstrategie. Ze ontregelen het spel van de tegenstander door agressief te verdedigen. Ze spelen ‘op de man’. Er zijn regels maar de scheidsrechters hebben er niet altijd goed het oog in. Dat is in ons nadeel. Daarnaast schieten ze van grote afstand zuiver op doel. Wij proberen op basis van samenspel tot doelpunten te komen. Wij doen veel goed in ons spel en we spelen gevarieerd. Op dit moment ligt ons rendement te laag. Het Chinese team is tijdens het afgelopen WK wereldkampioen geworden dus hun strategie werkt wel op dit moment.”

tech-united-wedstrijd

De robots in actie tijdens het afgelopen WK in China. ©Tech United.

Voetbalintelligentie

Iedereen die weleens een wedstrijd heeft gevoetbald of heeft bekeken kent vast wel uitdrukkingen zoals “hou het veld breed!”, “druk zetten!” of “inzakken!” voorbij horen komen. Het zijn de vaktermen waarmee coaches hun spelers instrueren. Wij mensen kunnen aan dit soort vage aanwijzingen vaak een draai geven waardoor de veldbezetting klopt of de speluitvoering tot een doelpunt leidt. Een computer heeft geen benul van wat een voetbalwedstrijd is.

Van de Molengraft: “Op dit moment beschikken de robots nog over weinig voetbalintelligentie. Het omzetten van alle dingen die op het veld gebeuren naar een representatie waarmee computers uit de voeten kunnen is een complexe opgave. De robots weten op ieder moment exact waar spelers zich bevinden en op welke afstand ten opzichte van elkaar. Maar of dit een goede veldbezetting is? Het bepalen van de beste afspeelmogelijkheid is ook een lastige opgave. Dat moeten onze robots leren. Hiervoor is inhoudelijke kennis van het voetbalspel nodig.

Data analyse bij het robotvoetbal. ©Tech United.

Data analyse bij het robotvoetbal is een belangrijk onderdeel om de spelkwaliteit te verbeteren. De wijze waarop dit gebeurt is vergelijkbaar met de analyses die in het Europese topvoetbal worden uitgevoerd. ©Tech United.

Creativiteit

In de afgelopen jaren hebben we flinke stappen gezet. We begonnen met een ball-centric strategie. Iedere robot probeerde de bal te veroveren en er vervolgens ‘iets goeds mee te doen’. Dan schoot de robot automatisch in de richting van het doel of begon te dribbelen. Tegenwoordig hebben de robots oog voor de pass mogelijkheden. Medespelers die er goed voorstaan worden ingespeeld. Als het kan wordt de bal in de vrije ruimte gespeeld en weet de medespeler de bal hier op te pakken. Verdedigend is het man-tegen-man. We zorgen ervoor dat we de ruimtes richting het doel verkleinen en dat iedere robot een tegenstander dekt.”

Bruyninckx: “Toch is het maar de vraag of in hoeverre we er echt in gaan slagen om robots op basis van spelpatronen en creativiteit te laten voetballen. Het voetbalspel is een zeer complex kennisconcept dat lastig te formaliseren is. Zolang we geen adequaat model en taal hebben om dit te beschrijven zal het voor robots lastig blijven om zo te spelen als mensen dat doen.”

Brekebeentjes

Toch is de voetbalintelligentie van de robots, die onze ogen misschien beperkt is, op dit moment niet het grootste struikelblok om succes te behalen. Haperende hardware speelt het team nog regelmatig parten.

Bruyninckx: “Als gevolg van botsingen of andere mankementen aan de onderdelen raken robots ‘geblesseerd’ waardoor ze niet inzetbaar zijn. Dan speel je weleens met een man minder. Tijdens zo’n toernooi is er vaak onvoldoende gelegenheid om de noodzakelijke reparaties uit te voeren. Betrouwbaardere hardware zal een enorme verbetering voor de prestaties betekenen. Dit geldt trouwens voor alle teams. Vandaar dat de meeste aandacht op dit moment uitgaat naar de elektronica en mechatronica.

Beperkte conditie

Een ander belangrijk aspect is de energievoorziening. Mensen hebben een ingenieus energiesysteem dat zeer effectief werkt en efficiënt is. Stel dat er nu robots zouden zijn die qua functionaliteit en intelligentie het zouden kunnen opnemen tegen mensen, dan is de batterij na 20 minuten leeg. De bewegingen die tijdens het voetbal worden gemaakt vragen om veel vermogen. Daarnaast is de mens met zijn bewegingen nog altijd sneller dan een robot. De combinatie en integratie van tal van innovaties uit verschillende domeinen zal er naar verwachting wel toe leiden dat er een betere energievoorziening komt voor de robots.

Geen ego

Van de Molengraft: “Aan de andere kant ‘gunnen’ de robots elkaar het succes. Dit is misschien anders dan bij mensen. Iedere robot vervult een rol met bijbehorende taken. De robots weten ook wat de rol en taken van de medespelers zijn. Deze rollen kunnen wisselen. Dit wordt onderling democratisch besloten.

Met elkaar proberen ze het optimale resultaat te behalen. In de toekomst kan kan dit een enorm voordeel betekenen. In tegenstelling tot bij het menselijke voetbal hoeven wij geen rekening hoeft te houden met de ‘ego’ van een robot bij het optimaliseren van het spel.”

Doelpunt!

Tijdens iedere editie van het WK-robotvoetbal staat er ook een wedstrijdje “mensen tegen de robots” op het programma. Hoewel het overduidelijk is dat de mensen (vaak zelf ongeoefende spelers) geen kind hebben aan de robots viel er in 2014 toch een belangrijk succes te noteren.

Van de Molengraft: “Toen scoorden wij een doelpunt! Op de beelden is te zien dat de combinatie van handelingssnelheid van de robots en een zuiver schot de menselijke keeper weet te verrassen. Dat is een mooi succes.”

Wereldkampioen worden

Lotte de Koning (studente werktuigbouwkunde) houdt zich als teamleider van Tech United bezig met de voorbereiding op het WK 2016 in Duitsland.

De Koning: “De doelstelling voor het aankomende WK is om wereldkampioen te worden. We spelen in het voorjaar een voorbereidend toernooi. Ik houd me bezig met de planning en de lopende projecten. Een ander belangrijk aspect is het up-to-date houden van alle documentatie zodat nieuwe teamleden inzicht hebben in de stand van zaken. Naar aanleiding van de evaluatie van het toernooi in China hebben we een aantal projecten gedefinieerd om tot verbeteringen te komen. Een mix van studenten, onderzoekers en voormalig studenten houdt zich hiermee bezig.

Beter zicht, minder botsen

Een speerpunt is om de huidige Kinect camera’s te vervangen door de nieuwste versie. Met deze aanpassing willen we met name de kwaliteit van het keeperswerk van de doelman verbeteren. Op het gebied van strategie willen we de robots verder vooruit laten denken. Daarnaast werken we eraan om de robots minder vaak te laten botsen door het rijgedrag te verbeteren. Hiermee voorkomen we schade en laten we aan de rest zien dat we het écht belangrijk vinden dat het spel zo eerlijk mogelijk wordt gespeeld.”

Meer deelnemers

“Aan een WK nemen tot nu toe meestal 8 teams deel. Het is de bedoeling dat er een aantal standaard componenten beschikbaar komt zodat we de drempel om toe te treden kunnen verlagen. De ontwikkelingen gaan namelijk razendsnel en een robot kost al snel tussen de twintig en dertig duizend euro. Nieuwe teams kunnen op basis van deze standaardcomponenten tegen een relatief kleine investering snel ervaring opdoen met een functionerend systeem. Op die basis kunnen zij verder bouwen. Hiermee willen we als community het deelnemersveld uitbreiden.”

theGreatMatch.com wenst Tech United veel succes met de voorbereiding op het WK in Duitsland. We zullen de verrichtingen met grote interesse blijven volgen.