Eindhovense voetbalrobots verdedigen wereldtitel

Wat de mannen van vlees en bloed in Brazilië niet lukte, klaarden vijf robots van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) in 2014 wel: Nederland wereldkampioen voetbal maken. Het team verdedigt van 17 juli tot 21 juli zijn titel op het WK RoboCup in China. Tegen 2050 moet hun kennis leiden tot robots die een mensenteam verslaan.

Als ik met TU/e-student en ploegkapitein Lotte de Koning – die kapitein is voorlopig wél nog een mens – afspreek op het oefenterrein van Tech United, bevinden de echte helden zich nog in een vrachtwagen ergens tussen Portugal en Nederland. De voetbalrobots wonnen er net voor de derde keer op rij een belangrijk voorbereidingstornooi op het WK, dat van 17 tot 23 juli plaatsvindt in Hefei, China. ‘In het hol van de leeuw’, zegt Lotte de Koning. ‘Want de Chinezen waren de voorbije jaren telkens onze meest gevreesde tegenstanders, en vorig jaar stonden we in de finale tegenover hen.’

Het Eindhovense robotlab is indrukwekkend. Er is onder andere een ziekenhuiskamer nagebouwd, waar zorgrobots worden getraind om het patiënten naar hun zin te maken. Ernaast ligt het voetbalveldje van twintig bij tien meter waar de robotvoetballers elke dinsdagavond en af en toe op zaterdag trainen. Ze worden intensief begeleid door niet één maar vijftien coaches: student-programmeurs, promovendi en afgestudeerde leden die ondertussen in de industrie werken. Allen doen ze dit vrijwillig.

Lotte de Koning: ‘De programmeurs schrijven voetbaltechnieken en -tactieken in de software – het brein – van de robots, en testen vervolgens op dit oefenveldje uit of de robots ook echt doen wat van hen wordt verwacht. De robots voetballen op de tornooien immers compleet zelfstandig tussen het eerste en laatste fluitsignaal. Ze moeten dus op voorhand goed weten wat ze in welke situatie moeten doen. In het voorbije jaar verbeterde het team onder meer de dieptepass over de grond en het ‘doortikken’ van de bal. Ook kwamen er sneller oplaadbare batterijen met meer capaciteit, want de oude accu’s waren bij uitlopende wedstrijden een ernstige bottleneck.’

Ondanks het vele voorbereidingswerk boekt het team volgens zijn kapitein het meeste vooruitgang tijdens een toernooi. ‘Door verschillende tegenstanders te bekampen, stuiten we op moeilijkheden en sturen we tijdens de rust of tussen de wedstrijden door onze strategie bij. Tijdens de Portugal Open merkten we bijvoorbeeld dat de robots last hadden van de laagstaande zon, waardoor passes niet aankwamen, en onze doelman kreeg te maken met kompasproblemen. Tijdens die wedstrijden gingen we al aan de slag met het programmeren en simuleren van oplossingen voor die problemen. Tegen de finale waren de problemen opgelost en we gingen met de eindzege naar huis.’

Van voetbal naar de industrie
RoboCup, zoals de voetbalcompetitie voor robots heet, is volledig Open Source. Na elk WK geven alle teams hun geheimen prijs aan elkaar en de buitenwereld. Dat zorgt voor een extra uitdaging, want zelfs als wereldkampioen moet je blijven innoveren om de tegenstanders voor te zijn. Maar dat vindt Lotte helemaal niet erg. ‘Het doel van dit project is dat een ploeg robots in 2050 kan winnen van de (menselijke) wereldkampioen voetbal. Daarvoor moeten alle teams samenwerken, en zo elkaar dwingen om vooruitgang te boeken. Vroeger liepen de robotvoetballers bijvoorbeeld als een bende kleine kinderen achter de bal aan. Nu zit er ook strategie in, en ziet het spel er steeds intelligenter uit. De toenemende snelheid van het voetbalspel dwingt teams om efficiëntere algoritmes te bedenken.’

Zo ging het er aan toe in 2013:

Nieuwe inzichten uit RoboCup worden toegepast in de automobielsector. ‘Ik denk bijvoorbeeld aan technieken die wagens toelaten om met elkaar te communiceren en obstakels te herkennen waardoor ze dichter bij elkaar kunnen rijden. Dat zou het fileprobleem verminderen en brandstof besparen. Onze robots beheersen die technieken nu al, en ze worden ook al door autobouwers uitgetest.’

In juli verdedigt Tech United zijn wereldtitel. Het nieuwste wapen is de verbeterde dieptepass. ‘Nu gaan passen rechtdoor tussen robots, waardoor de bal makkelijk te onderscheppen is. Wij programmeerden nu een manier om de bal al vooruit te sturen, naar een plaats waar een tweede robot ondertussen naartoe beweegt. Dat vergt snelle communicatie tussen de robots. We hopen dat alles goed verloopt en we onze wereldtitel kunnen verlengen.’

TURTLE

Tech United bestaat uit een doelman en vier identieke veldspelers. De robots, TURTLE genaamd of Tech United RoboCup Team Limited Edition, nemen deel in de Middle Size League, waarin de robots maximaal 52 centimeter breed en 80 centimeter hoog mogen zijn. Tussen het eerste en laatste fluitsignaal voetballen de robots compleet zelfstandig.

360°-Camera
Dankzij een camera die gericht is op een parabolische spiegel hebben de robots een gezichtsveld van 360 graden. Met dat beeld kan de robot zijn positie bepalen, lijnen herkennen en de bal onderscheiden. Een elektronisch kompas geeft aan waar het doel van de tegenstander zich bevindt.

Frontcamera
Het gezichtsveld van de hoofdcamera is in hoogte beperkt door de parabolische spiegel. Een frontcamera is daarom noodzakelijk om botsende ballen te zien.

Schietbeen
Door de punt van het schietbeen onder de bal te zetten, kan de robot een lobschot maken. Als de voet omhoog staat, schiet de robot de bal vlak.

Balbehandeling
Dit mechanisme bestaat uit twee maal twee staven met aan het eind hiervan een wieltje. Deze twee wielen worden apart aangedreven en de draaisnelheid ervan wordt gemeten. De TURTLE kan met de twee wielen de bal naar zich toe trekken, zonder de bal te omklemmen (wat niet is toegelaten). Afhankelijk van de bewegingsrichting van de TURTLE moeten de wielen een andere kracht leveren om de bal bij zich te houden.

Accu’s
De stroom wordt voorzien door twee Makita-batterijen van 24 volt. Tijdens de rust worden de batterijen gewisseld.

Omniwielen

De TURTLE kan zich dankzij drie omniwielen, die over de hele omtrek kleine wieltjes hebben, zowel voorwaarts, achterwaarts, zijwaarts als om de eigen as bewegen.

Mini PC Beckhoff
Om data te verzamelen en alle onderdelen aan te sturen is de TURTLE uitgerust met een Beckhoff EtherCAT die via ethernet aan een processor is verbonden. Op de processor draait Linux in combinatie met MATLAB/Simulink/RTW.

Noodstop
Met één druk op deze knop kunnen alle robots uitgeschakeld worden, mocht een van de robots ongewenst gedrag vertonen.

Hoe de robots het ervan afbrengen kunt u tussen 17 en 23 juli volgen op onze website.