ASML eerste eigenaar Turtle-5k-robotvoetbalteam
Voor veel bedrijven en onderzoeksgroepen is het te duur om een robotvoetbalteam op te richten. Omdat kennisopbouw en -deling de essentie is van de voetballende robotjes, is de TU Eindhoven samen met industriële partners ACE, Frencken en VEDS vorig jaar een project gestart om de prijs met een factor vijf omlaag te brengen. ASML heeft zich onlangs gemeld als eerste klant.
In vergelijking met zijn menselijke tegenhangers is het een schijntje, maar voetbalrobots zoals de Turtles van het Eindhovense Tech United kosten op dit moment zo’n 26 duizend euro per stuk. Aan een compleet team van vijf spelers hangt dus een prijskaartje van 130 duizend euro. Voor veel universiteiten is dat veel te duur, realiseerde TUE-hoofddocent René van de Molengraft zich. ‘De drempel is simpelweg te hoog om in te stappen. Dat is jammer want het is juist een van de belangrijke doelen van het robotvoetbal om kennis op te bouwen en te delen. Hoe meer deelnemers, hoe groter het momentum.’
Voor Van de Molengraft was het reden om een project te initiëren om de prijs van de robotvoetballers omlaag te krijgen. Doel is de kosten per robot naar zo’n vijfduizend euro terug te schroeven zodat er in de toekomst tien extra teams kunnen meedoen aan de Middle Size League, de koningsklasse van het robotvoetbal. De universiteit zocht en vond daarvoor industriële partners. Projectleider ACE Ingenieurs- & Adviesbureau neemt het design en de engineering van de hardware voor zijn rekening. Het Eindhovense VEDS is verantwoordelijk voor de elektronica en de low-level software. Frencken Mechatronics ten slotte brengt zijn kennis in over productie en assemblage.
‘De huidige generatie robotvoetballers is niet ontwikkeld op kostprijs’, vertelt Frank Steeghs, ACE-accountmanager en Turtle-5k-projectleider. ‘Het is het resultaat van jaren ontwikkelwerk waarbij er steeds nieuwe stukken en technologieën zijn toegevoegd. Daarbij is vrijwel niet op de kosten gelet.’
Met drie TUE-studenten en een ACE-stagiair maakte Steeghs eind vorig jaar een begin met een nieuw, goedkoper design op basis van het Turtle-platform waarmee Tech United in 2012 wereldkampioen werd. ‘Begin dit jaar hadden we zulke grote stappen gezet dat de kostprijs al flink naar beneden was gegaan. Met alle projectpartners hebben we toen de schouders eronder gezet zodat we op het afgelopen WK Robocup in Eindhoven een werkend prototype hebben kunnen laten zien’, zegt Steeghs enthousiast.
ASML is de eerste partij die met een Turtle-5k-team een vliegende start wil maken in het robotvoetbal. Een paar weken geleden mocht het eerste prototype van de Turtle-5k zijn kunsten vertonen in Veldhoven. ‘Daarop kregen we zo veel positieve feedback dat er ruim voldoende animo is om een eerste team op te zetten’, vertelt Jelm Franse, hoofd Mechanical Development bij ASML. ‘Misschien blijken er zo veel gegadigden dat we zelfs een tweede team kunnen oprichten. Hoe dan ook is het onze ambitie om op Robocup 2014 in Brazilië mee te doen. En uiteindelijk willen we natuurlijk ook wereldkampioen worden.’
Op de Robocup in juni merkte Steeghs al dat er nog meer interesse is, zowel regionaal als internationaal. Namen wil hij niet te veel geven omdat er nog niets definitief is. Eén kandidaat wil hij wel noemen: de Leibniz-universiteit in Hannover. ‘Die hijgen in mijn nek omdat ze nu al robots willen hebben terwijl we nog in de ontwikkelfase zitten. Bovendien is het op dit moment nog een onderzoeksplatform, dus we kunnen nauwelijks garanties geven.’ Toch lijkt het erop dat de universiteit van Hannover een bestelling zal plaatsen zodat Turtle-5k dat team tegelijk kan afleveren met de eerste elf robots die het eind dit jaar wil produceren, vijf voor zichzelf en zes voor ASML.
Maxon
Vrijwel het hele ontwerp van het wereldkampioenplatform is op de schop genomen. ‘De bodemplaat van de gewone Turtles is een schitterend kunstwerk, maar er zat veertig uur verspaningstijd in. Daar hebben we flink op kunnen winnen door veel uit te voeren in plaatwerk’, aldus Steeghs. Ook op het visionsysteem heeft het Turtle-5k-project bespaard. ‘In de Turtles zit een dure camera die via een 360-graden-spiegel in de kop van de robot de hele omgeving in kaart brengt. Wij hebben die camera vervangen door een HD webcam. Die heeft voldoende resolutie om de bal, de lijnen en de andere spelers te herkennen maar is een stuk goedkoper.’
Ook de communicatietechnologie is veranderd. ‘Onze gewone Turtles gebruiken Ethernet-modules van Beckhoff’, vertelt Robin Soetens, teamleider van Tech United en een van de trekkers van het Turtle-5k-project. ‘Dat werkt uitstekend, maar het systeem is behoorlijk prijzig. In de Turtle-5k hebben we dat vervangen door een simpele en goedkopere seriële verbinding.’
Het staat eigenaren vrij om zelf verder te sleutelen. ‘Dat zijn we ook zeker van plan’, meldt Franse desgevraagd. ‘We zijn eigenwijs genoeg om te denken dat we het beter kunnen. Het is een van de eerste taken van ons team om alles door te lichten. Dat doen die ontwikkelaars overigens in hun vrije tijd. ASML ondersteunt ze financieel, door faciliteiten aan te bieden en de werkplaats beschikbaar te stellen.’
Ondanks al het engineeringwerk het afgelopen jaar heeft het Turtle-5k-project zijn doel nog niet bereikt. Steeghs: ‘We zitten nu op een kostprijs van ongeveer zesduizend euro. Dat is wel bij een productieaantal van vijftig stuks waar we uiteindelijk op mikken. De robots uit de eerste serie die voor eind dit jaar op het programma staat, zullen nog wat meer kosten.’
Een van de grote struikelblokken zijn de motoren van Maxon. Daar is nog geen goedkoper alternatief voor gevonden. De vijf motoren, inclusief drivers, waarmee de robotvoetballers over het veld bewegen en de bal controleren, slokken de helft van het budget op. Daar valt dus nog flink wat te winnen, weet ook Steeghs. ‘Die motoren zijn heel specifiek en ze doen het ontzettend goed. Het probleem is dat we nog geen goedkopere motoren hebben gevonden die we voldoende vertrouwen. We gebruiken nu industriële Maxon-motoren die zijn berekend op een lange levensduur. Zo zetten wij ze echter helemaal niet in, waardoor we de ruimte hebben om ze zwaar te overbelasten. Voor andere leveranciers is het lastig om te garanderen dat hun motoren daartegen bestand zijn. Daar hebben zij weinig ervaring in en bij ons ontbreekt daarvoor de kennis.’
Steeghs benadrukt dat Maxon meedenkt om dit probleem op te lossen. Het heeft al aangeboden om de motoren voor een lagere prijs te leveren als Turtle-5k er toch in slaagt een leverancier te vinden die het goedkoper kan. Dat is niet de oplossing die Steeghs voor ogen heeft. ‘Ook andere partijen hebben al aangegeven best wat goedkoper te willen leveren of produceren, gewoon omdat ze het een tof project vinden. We willen echter een heldere prijs van vijfduizend euro op basis van eerlijke component- en productiekosten.’
In diezelfde categorie valt de low-level besturingssoftware. De Turtles zijn ontwikkeld met Matlab en Simulink. Het ontwikkelteam is nog in onderhandeling met Mathworks om diens software gratis te leveren bij de aanschaf van een Turtle-5k-team. ‘De Robocup is een opensourcecompetitie, dus wij hebben ons project ook opensource gemaakt’, zegt Steeghs. ‘We hebben daarom de overstap gemaakt naar het Robot Operating System in combinatie met het Belgische Orocos. Daarbij hebben we regelmatig leentjebuur gespeeld bij de Amigo-zorgrobot van Tech United die al op die omgeving draait. We laten de keus aan de teams: Mathworks of Ros.’
Lage drempel
Steeghs krijgt ook vragen van partijen voor een of twee voetbalrobots. ‘Ik proef in de markt dat er behoefte is aan een sample om mee te experimenteren’, vertelt hij. Daarmee schiet het project bijna zijn doel voorbij. De robots worden namelijk wel geleverd met low-level besturingssoftware, maar de high-level programmatuur die de teamstrategie bepaalt, moeten de partijen zelf ontwikkelen. Het idee is namelijk dat de teams zich op dat niveau van elkaar gaan onderscheiden. Ideaal natuurlijk als je alleen softwarekennis hebt en niet net als de TU Eindhoven alle benodigde disciplines onder één dak hebt. Maar met één voetbalrobot heeft het geen zin om een teamstrategie te programmeren. Testen lukt sowieso niet. Steeghs: ‘Het achterliggende doel van robotvoetbal is om de robotica naar een hoger niveau te brengen. Als we op deze manier meer partijen kunnen binden, is dat gewoon hartstikke leuk.’
Hoe meer zielen, hoe meer vreugd, is de boodschap. Voor bedrijven, hogescholen en universiteiten moet de drempel zo laag mogelijk zijn. Kostprijs is daarbij een belangrijk aspect, maar openheid speelt ook mee. Turtle-5k doet alles opensource: de tekeningen komen allemaal online en ook de software is te downloaden. In principe kunnen partijen daarmee bij een lokale machinefabriek aankloppen. De designers hebben daarmee rekening gehouden door zo veel mogelijk te werken met simpele productietechnieken. Het grootste deel van de onderdelen kan worden gemaakt met een doorsnee lasersnijder of via simpel draai- en freeswerk.
De goedkope Turtle bevat slechts een paar onderdelen die wat ingewikkelder zijn. Het beste voorbeeld is de spiegel die de webcam gebruikt om de omgeving te bekijken. Het is essentieel dat die egaal is. Elke oneffenheid resulteert in een misrekening in het veld waardoor de pass een halve meter naast de ontvanger terechtkomt. Ook de productie van de spoel die zorgt voor voldoende schotkracht is geen eenvoudig klusje. Steeghs ziet businessmogelijkheden: ‘Die onderdelen zouden wij natuurlijk kunnen leveren. De teams zorgen dan zelf voor de eenvoudige componenten en wij vullen ze aan. Zo’n zelfde opzet zie je terug bij 3D-printers. Daar kun je er ook voor kiezen om een hele machine te kopen of om een bouwpakket aan te schaffen en alles zelf in elkaar te zetten.’
Onderscheiden
Schiet Tech United zichzelf niet in de voet door mee te werken aan het Turtle-5k-project? ‘We zijn niet bang voor de concurrentie’, zegt Soetens. ‘Het doel is immers dat we nieuwe techniek ontwikkelen en opensource beschikbaar maken. Met meer teams gaat dat alleen maar beter. Op het afgelopen WK waren er uiteindelijk slechts vier teams die serieus in aanmerking kwamen voor een finaleplaats. Met dit platform kunnen meer teams aanhaken en wordt het makkelijker nieuwe teams op te starten.’
‘Waar we enigszins op mikken, is een regionale competitie’, vult Steeghs aan. Naast ASML hoopt hij ook een aantal universiteiten over de streep te kunnen trekken en een aantal hogescholen te overtuigen. Als er dan ook enkele andere bedrijven instappen, ontstaat er een situatie zoals in Portugal waar meerdere teams elkaar beconcurreren en het niveau hoog ligt. ‘Je kunt tijdens een oefenpotje dan eens een compleet andere strategie uitproberen’, legt Steeghs uit.
Hoe belangrijk dat is, bleek tijdens de finale van het afgelopen WK. Tech United verpulverde in de voorrondes alle tegenstanders op basis van een strategie die was gebaseerd op lobballen van afstand. Het Chinese team Water had zijn spelers in de avonduurtjes voorafgaand aan de finale zo geprogrammeerd dat ze agressief verdedigden en die ballen steeds konden blokkeren. Uiteindelijk deed dat Tech United de das om en ging de wedstrijd in de verlenging met 2-3 verloren.
Voordeel is dat in de reglementen staat dat teams pas aan het eind van het seizoen openheid van zaken hoeven te geven over hun technologie en strategie. ‘Het komende seizoen zal Tech United nog wel van zijn voorsprong kunnen genieten, maar het jaar daarna wil ik ze het toch behoorlijk lastig gaan maken’, zegt Steeghs strijdbaar. ‘Puur door de samenwerking in de softwareontwikkeling.’
Steeghs glimlacht: ‘Het mooiste aan deze discussie is dat het niet meer gaat over de hardware. Er is straks een robotplatform beschikbaar dat gewoon goed werkt. Het maakt niet uit dat dat de robots straks misschien allemaal op elkaar lijken. Je kunt het dan vergelijken met autoraces zoals de Eurocup Mégane Trophy, waar iedereen in dezelfde Renault rijdt en de coureur het verschil maakt. Zo kunnen robotteams zich onderscheiden via de beste strategiesoftware. Het staat iedereen overigens vrij om onze hardware aan te passen, bijvoorbeeld door een betere visioneenheid te introduceren of het balcontrolemechanisme te verbeteren.’
