17 :: Langs de lijn

Robots die in 2050 het WK Voetbal winnen van mensen.

Geheel autonoom. Dat is het doel van Robocup. Gelukkig hebben ze nog een paar decennia, want het blessureleed was groot in Hannover waar David in april het EK bijwoonde en het robotteam uit Eindhoven volgde.

door David Lemereis

De Turtles, het team voetballende robots Tech United van de TU Eindhoven, staan plotseling alle zes levenloos op het indoor voetbalveld. Het Duitse CoPS van de universiteit van Stuttgart maakt dankbaar gebruik van de impasse en scoort 1-0. Verbijsterd staan de mannen van Tech United aan de zijlijn. Wat is er nu weer aan de hand? Blessures? Een virus? Niemand weet waarom, maar een mysterieus probleem heeft het hele team Turtles in een oogwenk totaal uit het veld geslagen. De mannen van Tech United snellen het veld op voor acute digitale EHBO. Kabels verbinden de levenloze voetbalrobots met een Linux-laptopinfuus. Diagnoses worden gesteld en een forse dosis vitamine MATLAB C++ moet de Turtles weer tot leven wekken. Maar het mag niet baten. De verwoede reanimatiepogingen zijn tevergeefs. De Turtles geven geen kick. Gelaten moeten de mannen van Tech United de wedstrijd tegen de CoPS uit Stuttgart voorlopig even op pauze zetten. De wedstrijd wordt de volgende dag vervolgd; de Turtles moeten onder het mes.

Een steekje los
‘Het is een enorme uitdaging om de voetballende robots aan de praat te krijgen en te houden’, zegt Gillis Hommen, vierdejaars student Werktuigbouwkunde aan de TU Eindhoven en één van de dertien Tech United-teamleaden aanwezig in Hannover. ‘Ik kan me voorstellen dat een leek die dit robotvoetbal voor het eerst ziet denkt dat het niks voorstelt. Maar als je weet hoe het werkt dan denk je daar heel anders over.’
Dat is te merken aan de honderd man publiek langs de zijlijn van het veld. Zij barsten niet uit in honend gejoel. Stoïcijns blijven ze toekijken. Het maakt ze niet uit of de blessuretijd een uur of langer duurt. Zij zijn immers insiders. Dit is RoboCup, onderbroken robotvoetbalwedstrijden zijn nou eenmaal aan de orde van de dag. Technische storingen teisteren alle teams. Geen robot ontkomt er aan. Er zijn er altijd wel een paar waarbij tijdens een wedstrijd onverhoopt een steekje los trilt in de programmatuur. Dat is niet verwonderlijk, het is zelfs te verwachten. De voetballende robots die deelnemen aan de midsize league tijdens het EK RoboCup de German Open zijn namelijk verbijsterend complex.

Eigen willetje
Dit zijn niet de Battle Bots van televisie die mensen langs de zijlijn op afstand met een joystick besturen. De RoboCup-robots spelen zonder tussenkomst van de mens geheel zelfstandig, oftewel autonoom, een potje voetbal. En het is die autonomie die de robots uiterst complex maakt. Autonoom is afgeleid van het Griekse autonomos, zelfwet. Het duidt op de capaciteit van een rationeel individu om eigen verantwoorde beslissingen te nemen. En dat is precies wat de Turtles zijn, mechatronische (een samentrekking van mechanisch en elektronisch) individuen met een eigen willetje.
Ze worden niet bijgestaan door foefjes als een gps om hun positie op het veld te bepalen. De voetbal is een voetbal, het doel een doel en de veldlijnen zijn gewoon goeie ouwe, analoge veldlijnen. Nergens zijn zendertjes of rfid-tags verborgen die een Turtle de weg op het veld kunnen wijzen. Integendeel, de voetballende robots kijken net als wij mensen om zich heen, herkennen de veldlijnen, het doel, de bal, de tegenstanders en medespelers. Al die informatie bepaalt waar ze zijn en welke speltactiek ze kiezen. Moet ik dribbelen of de bal naar een vrijstaande teamgenoot passen? Verdedigen of een doeltrap wagen? Het zijn onbewuste vragen waar het elektronische brein van een Turtle in milliseconden zelfstandig antwoord op moet geven, net zoals jij en ik dat zouden doen tijdens het voetballen. Alleen is de morfologie van een Turtle net ietsje anders dan die van de mens.

Vierdejaars student Dennis Bruijnen legt uit hoe de robots, die op een industriële stofzuiger lijken, hun weg op het veld weten te vinden. ‘Bovenop de robot zit een omnivisie camera. Die bestaat uit een bolle spiegel waarmee de robot 360 graden om zich heen kijkt. Wat hij ziet wordt door het centrale brein, een realtime Linuxcomputer verwerkt.’ Het voetbalveld is groen, de lijnen wit, de goals blauw en geel en de bal oranje. Simpel gezegd herkent de robot de kleuren en weet welk object welke kleur is. Vervolgens zoekt hij naar de lijnen en samen met het zicht op de goals weet de robot waar hij is. De werkelijkheid is echter lang niet zo simpel. Verandert de lichtval in de zaal, dan veranderen de kleuren. Dat is slechts één van de vele aspecten waar de teamleden rekening mee moeten houden. ‘Als de robot de goals bijvoorbeeld niet ziet weet hij niet waar hij is. De robots raken ook nog wel eens in de war van de kleuren van de kleding van toeschouwers. Dan denken ze dat een T-shirt de bal of een goal is en rijden ze voortdurend tegen de kant op. We boeken wel vooruitgang. De robots weten nu vrijwel altijd waar ze zijn. Dat was een jaar geleden wel anders, toen knalden ze alle kanten op.’

Balbeheersing
Dat betekent echter niet dat Bruijnen en collega's nu op hun lauweren kunnen rusten. Het doel van RoboCup is immers dat robots de voetballende mens in 2050 verslaan. Om daar te komen maakt de organisatie de omstandigheden op het veld elk jaar een tikje realistischer. Dit jaar werd de grootte van het veld verdubbeld van 8 bij 12 meter naar 12 bij 18 meter. Volgend jaar worden de kleuren in het doel vervangen door netten. Dan zullen Bruijnen en collega's een slimme manier moeten vinden om zonder kleurherkenning de doelen te vinden.
Plaatsbepaling is één ding, bij voetballen komt heel wat meer kijken. Het brein verwerkt alle data en stuurt de robot achter de bal aan via de omniwielen waarmee de robot alle kanten op kan draaien. Elke robot heeft een specifieke taak - als verdediger, keeper of aanvaller - met een bijbehorende tactiek. Complexe algoritmes in de software van het brein van een Turtle zorgen ervoor dat op basis van al die data beslissingen zelfstandig worden genomen. Maar het draait niet alleen om software. De Turtlex zijn een technisch hoogstandje van robotica, mechatronics en kunstmatige intelligentie aan elkaar geknoopt. De teamleden van Tech United zijn met name trots op het schiet- en balbeheersingsmechanisme van de Turtles. Dat ligt voor de hand. De teamleden, die variëren van studenten bachelor tot promovendus en technisch en wetenschappelijke medewerkers van de TU Eindhoven, zijn allen van de afdeling werktuigbouwkunde. En wtb’ers zijn nou eenmaal stapel op mechanieken.

‘Mechanisch horen we tot de sterkste robotteams’, zegt vierdejaars Bas van Putten. ‘Als een van de weinige teams kunnen wij met onze elektromagnetische shooter een schot afvuren met twintig verschillende sterktes. Bovendien kunnen we zowel een lobje geven of recht op de man afvuren. Ons balbeheersingsmechanisme is ook heel uniek. Twee wieltjes draaien tegen de richting van de bal in, de wrijving tussen de bal en wieltjes zorgt ervoor dat we de rollende bal bij de robot houden zonder deze vast te klemmen. Klemmen is tegen de regels. Onze software loopt wel een tikje achter omdat we wtb’ers zijn; echte codekloppers hebben we niet. Maar met onze shooter maken we wel goede kans te scoren.’

Perfecte pass
Om te scoren moet de boel natuurlijk wel werken. Een dag na de onderbroken wedstrijd tegen de Duitse CoPS moeten ze het opnemen tegen Minho, het team van de Portugese universiteit van Minho. ‘De jongens hebben vannacht keihard gewerkt’, zegt René van de Molengraft, universitair docent Werktuigbouwkunde en technisch directeur van het team. ‘Er was een conflict tussen de draadloze verbinding van onze robots en de accesspoints van RoboCup. Maar vannacht leek het goed te gaan en hadden we een euforisch moment. We waren alleen op het veld achtergebleven en hadden de perfecte pass en dribbel.’
De wedstrijd begint goed. De Turtles van Tech United dribbelen er lustig op los en vuren verscheidene ballen op het doel af. Dat belooft veel goeds. De robots van Minho krijgen de bal te pakken. Turtle #3 racet tussen het doel en de aanvaller van Minho met de bal in. Een prachtig staaltje van verdedigen terwijl Turtle #4 een tegenaanval in zet. Dit is nou het verbijsterende aan RoboCup voetbal wat je wil zien, maar het noodlot slaat vrijwel direct weer toe. Aanvaller Turtle #5 geeft er de brui aan. Minho maakt er dankbaar gebruik van: de eerste helft eindigt in 1-0. De tweede helft biedt ook geen soelaas.

‘#5 doet het niet!’
‘Zit er geen accu in?’
‘Wel!’
‘Wie heeft die accu er dan ingedaan?’
‘Ikke!’
Ondanks de blessure van Turtle #5 weet #4 de bal te bemachtigen, maar hij kruipt in slow motion naar de open goal.
‘Shoot! Please Shoot!’ De tegenstander neemt de bal echter over en scoort.
‘Hoe kan dat nou? Hij doet niet wat we willen. Vannacht ging het zo goed!’
De spanning is om te snijden en als Turtle #4 er ook de brui aan geeft wordt de frustratie één van de teamleden teveel. ‘Kap het spel! Ik heb het helemaal gehad. Alles werkt en dan verandert de wedstrijdleiding het accesspoint!’
Minho wint de wedstrijd met 3-0.

Gewoon pech
‘De klap is hard aangekomen’, zegt Van de Molengraft. ‘De jongens hebben nauwelijks geslapen. Gisteren een uurtje of vier en de dag daarvoor ook al niet veel meer. Al dat werk doe je niet om te winnen maar om te laten zien wat je als team bereikt hebt. Vannacht hadden we zo'n perfect interceptie- en dribbelmoment, dan voel je de teamspirit.’ Volgens Van de Molengraft moeten de jongens gewoon even bijkomen, daarna bespreken ze hoe ze het netwerkprobleem kunnen oplossen. ‘De jongens zijn allemaal onderzoekers die kunnen relativeren. De German Open is eigenlijk een proeftuin voor de wereldkampioenschappen RoboCup in Atlanta begin juli. Het is gewoon pech dat het vandaag stuk loopt op een simpele draadloze verbinding’, zegt Van de Molengraft. ‘Van opgeven is in ieder geval geen sprake.’
En dat blijkt. De veerkracht van het Tech United-team is enorm. Ondanks het gebrek aan slaap en de tegenslagen buigen de teamleden zich over hun laptops, te midden van een complete chaos van colablikjes, kabelbundels, dozijnen voedingen, printplaten, servomotoren en soldeerbouten.

Ze hebben twee uur de tijd om de betrouwbaarheid van de Turtles te verbeteren. Dan moeten ze de wedstrijd tegen de Duitse CoPS van gisteren vervolgen. En al hun inzet blijkt niet voor niets. Het wordt een mooi potje robotvoetbal. Al verliezen ze met 5-0 van de Duitsers, het tij is definitief gekeerd. De volgende dag wint Tech United van 5DPO met 2-1 en gaat het team door naar de volgende ronde.
De teamspirit van de mannen van Tech United heeft kennelijk effect op de robots. Ze zetten hun beste wieltjes voor om zich zo betrouwbaar mogelijk te gedragen. En dat zet zoden aan de dijk. Tech United eindigt tijdens de halve finales van de RoboCup German Open in Hannover op een derde plaats. Die prijs hebben ze alvast in hun zak gestoken.