Een week robottopsport in Eindhoven

Van 26 tot en met 30 juni is Eindhoven de gastheer van het zestiende wereldkampioenschap voor robots. Sinds 1997 is het WK uitgegroeid tot een jaarlijks mega-evenement, met de bekende robotvoetballers als publiekslieveling. De organisatie verwacht dit jaar 2600 deelnemers uit veertig landen. Meer dan de helft daarvan zijn kinderen en middelbare scholieren.

Alexander Pil

’Elke keer als ik zo‘n hal vol kinderen zie sleutelen aan hun robot, weet ik gelijk weer waarom we dit allemaal doen: techniekpromotie bij de jeugd‘, zegt medeorganisator René van de Molengraft. ’Bovendien willen we graag aan de buitenwereld laten zien wat we hier op de universiteit allemaal doen en welke technologie er aankomt. De meeste mensen hebben geen idee maar het duurt echt niet heel lang meer of je kunt voor de prijs van een kleine auto een autonome robot kopen die je helpt met huishoudelijke klusjes.‘

Het kernwoord bij de Robocup is ’autonoom‘. Tijdens alle wedstrijden spelen de robots zonder hulp van hun ontwikkelaars en programmeurs langs de zijlijn. Ze voeren ook geen vast recept uit zoals bij bijvoorbeeld de First Lego League maar ze moeten zelf kunnen anticiperen op de situatie zoals hij die waarneemt.

TULIP

De competitie

De Tulip-robotvoetballer doet mee in de Humanoid League, in de categorie Adult Size. Dat betekent dat de robots op twee benen moeten lopen en groter zijn dan 1,20 meter. Omdat dergelijke systemen complex en duur zijn, zijn er maar weinig deelnemers. Typisch 6 a 8 ’teams‘. En dat terwijl je al met één robot kunt meedoen. Het zijn namelijk geen teamwedstrijden maar shoot-outs: de robot staat in het midden van het veld, zijn tegenstander wacht op de doellijn en de bal ligt op het veld achter de aanvallende robot. De eerste stap is dat de robot de bal moet vinden door om zich heen te kijken en het oranje object (de bal) te lokaliseren. Daarna moet hij naar de bal toelopen en hem over de middellijn schoppen. Dan mag hij een schot op goal wagen. Dat klinkt redelijk simpel maar doordat humanoïde robots erg traag lopen, blijkt de tijdslimiet van 2,5 minuut de meeste al te machtig. Als er tijdens een wedstrijd van twee keer vijf pogingen niet is gescoord, gaan de robots over op normale penalty‘s.

Voorgeschiedenis en eerdere WK‘s

De humanoïde robotvoetballers zijn relatief onbekend. Tulip is niet eens ontworpen als voetballer maar als onderzoeksobject. Hij is namelijk ontstaan uit een gezamenlijke project van de drie technische universiteiten met Philips. Die vier partijen bouwden elk een robot, oorspronkelijk gebaseerd op hetzelfde hardwareplatform en met onderling uitwisselbare software. Aan het begin liepen de plannen nog gelijk maar inmiddels zijn de ontwerpen zo ver uit elkaar gegroeid dat de Tulip-varianten niet meer compatibel zijn.

Eind 2008 begon de TU Eindhoven met de bouw van zijn Tulip waarmee het ook wilde meedoen aan de Robocup. Het WK van 2009 kwam nog wat te vroeg en bleef de robot in de onderste regionen steken. De laatste jaren staat Tulip zijn mannetje en eindigt hij in de middenmoot.

Nieuw dit jaar

De grootste uitdaging is om de robot stabiel te laten lopen, ook omdat het zwaartepunt van Tulip behoorlijk hoog ligt. Voorheen zorgde het systeem ervoor dat het zwaartepunt altijd boven het contactpunt bleef. Dat zorgt voor stabiliteit maar het gaat niet al te snel. De programmeurs hebben Tulip nu iets meer speling gegeven zodat hij – net als een mens – iets naar voren valt en zichzelf opvangt. ’In de simulatie werkt het‘, zegt teamleider Pieter van Zutven, ’nu nog in de praktijk. Of we op tijd klaar zijn voor het WK? Ik verwacht het wel.‘

De tweede verbetering ligt op het vlak van de lokalisering. Vroeger bepaalde Tulip waar hij was op basis van een nulpunt en de stappen die hij sindsdien had gezet. Je voelt op je klompen aan dat dat niet de meest nauwkeurige strategie is. Veel natuurlijker is het om te kijken waar je bent op basis van je omgeving en dat is precies wat Tulip nu kan. Van Zutven: ’We konden niet het camerasysteem van bijvoorbeeld de Turtles integreren omdat de oplossingen in onze competitie altijd mensachtig moeten zijn. We gebruiken daarom de twee camera‘s op Tulip die als ogen dienen.‘ Door ook met zijn hoofd te draaien, heeft Tulip een behoorlijk grote kijkhoek zodat hij de lijnen van het veld kan detecteren en zijn positie kan bepalen.

De derde aanpassing is dat Tulip dit jaar veel beter weet wat hij kan. De afgelopen maanden hebben de ontwikkelaars namelijk alle systeemparameters doorgemeten. Behalve dat ze nu betere simulaties kunnen draaien, kan Tulip veel beter voorspellen wat er precies gebeurt als hij zijn been optilt. Daardoor kan hij beter anticiperen en weet hij beter wat hij precies moet doen om de gewenste beweging te maken.

Voorspelling

De winnaar van 2012, Charli uit de VS, doet dit jaar niet mee. De focus van dat team is verschoven naar defensietoepassingen. ’Jammer‘, vindt Van Zutven. ’Het was een sterk team en dus een technologische trekker.‘ De verliezend finalist van vorig jaar is er wel: Hephaestus uit China. Van Zutven schat dat team zeker hoger in dan de Tulip. ’Een podiumplaats zou een mooi resultaat zijn voor ons.‘

TURTLES

De competitie

De Turtles komen uit in de Middle Size-robotvoetbaldivisie. Zeker in Nederland geldt dat als de koningsklasse. Op een veld van 12 bij 18 meter spelen twee teams van zes robots autonoom een ’echt‘ potje voetbal. Sinds het WK van vorig jaar in Mexico is er een belangrijke nieuwe regel: een robot mag niet meer met de bal over de middellijn dribbelen. Dat klinkt triviaal maar in het verleden werd er veel gescoord door robots die van achteruit met de bal aan de voet opstoomden. De aanpassing zorgt ervoor dat de voetballers veel meer moeten overspelen en dus veel beter op elkaar moeten letten.

Voorgeschiedenis en eerdere WK‘s

De Turtles stonden de afgelopen vijf WK‘s in de finale. De eerste vier gingen echter verloren. De blijdschap was groot toen het Eindhovense team vorig jaar in Mexico eindelijk aan het langste eind trok. De Turtles wonnen met 4-1 van het Iraanse MRL, dat traditioneel een fysiek spelletje speelt. Doordat Tech United de passstrategie beter onder controle had, waren ze toch de bovenliggende partij. ’Om onder die druk uit te komen, moeten de robots eerder passen‘, aldus teamleider Robin Soetens. ’Zo‘n instelling kun je vooraf doen. Tijdens de wedstrijd mag je namelijk niet meer ingrijpen.‘

Nieuw dit jaar

De nieuwe regels hebben Tech United gedwongen nog maar aandacht te besteden aan het samenspel van de robots. De Eindhovense spelers kunnen inmiddels goed overspelen tussen drie robots. Dat komt mede door het feit dat elke robot passstatistieken bij houdt: welke bal kwam er wel aan en welke niet? De Turtles zijn intelligent genoeg om tijdens de wedstrijd te leren wat wel werkt en wat niet.

Ook de balbehandeling is veranderd. Waar die eerst was gericht op dribbelen, ligt de nadruk nu op een bal aannemen. De robots hebben twee armpjes gekregen met wieltjes aan het eind. Die wieltjes kunnen worden aangedreven zodat de bal bij de robot blijft (naar de robot blijft rollen). Doordat de armpjes naar buiten kunnen scharnieren, hebben de Turtles een groter bereik en kunnen ze makkelijker een bal invangen. Als de bal wat te ver ligt, steekt de robot zijn armen uit en laat hij de wieltjes wat harder draaien om de bal naar zich toe te trekken.

Verder hebben de Turtles betere ogen gekregen. Alle veldspelers zijn uitgerust met een Kinect-camera zodat ze een 3D-beeld van hun omgeving kunnen maken. Daardoor kunnen ze beter dan voorheen diepte zien en dus nauwkeuriger stuiterende ballen en lobjes waarnemen. De keeper heeft zelfs een tweede Kinect gekregen om zijn beeldhoek te vergroten. Soetens: ’Vrij trappen vanuit de hoek waren nog wel eens een probleem. Nu heeft hij daar veel beter zicht op.‘ Voor de veldspelers is één Kinect voorlopig voldoende, schat Soetens.

Voorspelling

Eind april wonnen de Turtles de Portugese Open, in de thuishaven van een gevaarlijke outsider Cambada. ’Dat was een goede graadmeter‘, geeft Soetens toe maar hij vindt niet dat zijn team al gelijk de WK-winst kan claimen. ’Het blijft toch altijd spannend. De technologie wordt gedeeld tussen alle teams zodat we vaart in de robotontwikkeling houden. Dat betekent ook dat er nooit iemand heel ver voor ligt. Ik verwacht dat we bovenin zullen meedraaien.‘ De belangrijkste concurrent is het Chinese team Water.

AMIGO

De competitie

De Eindhovense Amigo-robot strijd mee in de @Home-competitie die bestaat uit een serie min of meer huishoudelijke opdrachten. Zo moet de robot op een cocktailparty een bestelling opnemen en die in een andere ruimte ophalen, moet hij in een rampscenario mensen terzijde staan en moet hij in staat zijn om een persoon te achtervolgen door een gebouw. Per challenge krijgt een deelnemer punten. Hoe meer checkpoints hij haalt, hoe meer punten. Voor een goede score is het dus zaak om in ieder geval het eerste checkpoint te halen. Bij de achtervolgtaak geven de Eindhovense ontwikkelaars er bijvoorbeeld prioriteit aan dat de Amigo zijn target niet uit het oog verliest, ondanks dat hij wordt geblokkeerd (checkpoint 1) en veel minder aan het volgen van de persoon in en uit een lift (checkpoint 2).

Nieuw dit jaar

Voorgaande jaren gebruikte de Amigo een Kinect-camera om de wereld waar te nemen. Dat werkt heel aardig maar het Microsoft-systeem heeft ook een paar vervelende trekjes. Het bereik is slechts een paar meter en de te uitgebreide beeldverwerking vreet rekenkracht waardoor het andere algoritmes in de weg zit. Bovendien was de plaats van de sensor – als hoofd van de robot – niet ideaal omdat daar de vibraties het grootst zijn en het extra lastig wordt om een stabiel wereldbeeld te creëren. De Amigo is dit jaar ook uitgerust met een veel simpelere maar robuustere laser range finder die in een plat vlak zijn omgeving in kaart brengt.

Ook nieuw is dat de Amigo nu veel beter gebruikmaakt van zijn in hoogte verstelbare torso. Wanneer hij vorig jaar iets moest oppakken, berekende hij een handige spindelhoogte voor zijn torso en voerde de grijpactie daarna geheel met zijn arm uit. Nu past hij continu de hoogte aan tijdens de grijpactie waardoor hij veel flexibeler is geworden.

De meest recente ontwikkeling is die rondom de ongewenste spelingen in de gewrichten. Daardoor greep de Amigo wel eens mis terwijl hij alles toch echt goed had doorgerekend. ’Natuurlijk kalibreren we het systeem als we bijvoorbeeld een nieuwe arm aansluiten‘, zegt teamleider Janno Lunenburg, ’maar er blijft toch altijd een behoorlijke onzekerheid over. We hebben daarom markers op de handen geplakt zodat de robot kan detecteren waar ze zijn en indien nodig de positie kan aanpassen.‘ Op de TUE-campus wordt hard gewerkt om deze functionaliteit voor het WK geïmplementeerd te krijgen.

Los van alle challenges hebben de Amigo-bouwers veel aandacht besteed aan een consistent wereldmodel voor hun robot. Lunenburg: ’De Amigo krijgt informatie binnen via de Kinect, de laserscanners, encoders, noem maar op. Op basis daarvan probeert hij een beeld te scheppen van de wereld om zich heen. Die software hebben we verbeterd. Er is een interfacelaag gekomen zodat de robot op een begrijpelijke manier vragen kan stellen. In de cocktailproef kan hij bijvoorbeeld zeggen: ’Wat zijn de coördinaten van het drankje dat ik moet gaan halen?‘ De software compileert die high-level vraag naar begrijpbare code voor het onderliggende systeem die vervolgens op zoek gaat naar het antwoord. Dat kan komen uit de algemene database of uit de eerder opgedane kennis over de omgeving. Zo‘n redenatiemodule maakt het voor ons makkelijker om de robot te programmeren.‘

Voorspelling

De Amigo nam eind april deel aan het German Open in Maagdenburg. Daar lukte het prima om een persoon te volgen door de beurshal maar op het moment suprême ging er een klein dingetje mis en raakte de Amigo toch de weg kwijt. ’In de @Home-competitie kan een klein detail een hele challenge om zeep helpen‘, heeft Lunenburg ervaren. ’Het is vaak alles of niets. In het verleden was het bij ons vaak net niet. Maar als je kijkt wat voor een ontwikkeling we hebben doorgemaakt, zouden we toch wel eens een goede score kunnen gaan neerzetten.‘ Lunenburg hoopt op een plekje bij de eerste vijf. Grootste kanshebber op de eindoverwinning is regerend wereldkampioen Nimbro uit Duitsland dat ook de German Open al op zijn naam bracht.

Toekomstplannen

De Amigo gebruikt grofweg dezelfde set wielen als de Turtles. De robotvoetballers spelen echter altijd op dezelfde ondergrond terwijl de veel zwaardere Amigo over zowel vloerbedekking als linoleum rijdt, daardoor last heeft van slip en bovendien oneffenheden zoals drempels moet kunnen overwinnen. Dat vraagt om heel andere eigenschappen van het onderstel. De Amigo zou beter werken met een geveerde ophanging zodat er niet zo snel een wiel loskomt van de grond en de lokalisatie op z‘n kop wordt gezet. De eerste stap op weg naar een verbeterde ophanging is al gezet; er is een aantal lagers toegevoegd waardoor het systeem beter bestand is tegen de grotere massa van de Amigo. Een afstudeerder sleutelt nu aan de vering.

Ook de robotarmen zijn door een afstudeerder onder handen genomen. En een aantal studenten ontwerpt een geheel nieuwe basis en een verbeterde torso. Nog ingrijpender zijn de plannen om zogenaamde mecanumwielen te introduceren. Dat zijn omniwielen met ingebouwde rollers die onder een hoek van 45 graden zitten, zodat de Amigo niet alleen naar voren en naar achteren kan rijden, maar ook naar links en rechts. Ten slotte liggen er plannen om de Amigo te voorzien van een knie- en een heupgewricht zodat de hele romp omhoog, omlaag en naar voren kan bewegen.

Al deze aanpassingen tezamen zijn zo ingrijpend dat het vrijwel onmogelijk is om ze in te bouwen in de Amigo. Er zit dus een geheel nieuwe robot in de pijplijn. Eind dit jaar moet al een deel van de nieuwe hardware gereed zijn.