Lexikon

Roboter-Fußball

Warum beschäftigen sich weltweit über 300 Forscherteams mit insgesamt mehreren 1000 Forschern mit der Aufgabe, fußballspielende Roboter zu konstruieren oder zu simulieren? Die Antwort liegt nicht alleine in der Faszination des Fußballspiels, obwohl diese sicher hilft. Der Grund ist, daß sich fußballspielende Roboter sehr gut dafür eignen, die Forschung im Bereich der Robotik und der Künstlichen Intelligenz voranzutreiben.

Bisherige mobile Roboter, die überwiegend in der industriellen Produktion und zum Materialtransport eingesetzt wurden, waren langsam, groß, teuer und nur für eine überwiegend statische Umgebung geeignet. 

Künftige Serviceroboter sollen kleiner, leichter und schneller sein und sollten sich in einer dynamischen Umgebung (Büroumgebung oder Haushaltsumgebung) zurechtfinden, mit Personen, anderen Robotern und Haustieren zurechtkommen und mit diesen geeignet interagieren können. Hierbei sind sicher nicht alle Interaktionspartner kooperativ, daher sollten künftige Roboter einerseits kooperationsfähig sein, andererseits auch Strategien für Konkurrenz um Wege oder Ressourcen besitzen. Ein schnelles dynamisches Spiel mit relativ einfachen Spielregeln, wie das Fußballspiel, eignet sich hier ideal als Benchmark-Szenario: die Gesamtleistung von Roboter-Teams kann durch Vergleichsspiele und Wettkämpfe trotz Zufallseinflüssen relativ objektiv gemessen werden.

Anfänge, Organisationen und Spielklassen

Die Geschichte des Roboterfußballs begann nach Vorbereitungen, die in den frühen 90er Jahren stattfanden, mit dem ersten offiziellen RoboCup-Turnier 1997 während der IJCAI-97-Konferenz in Nagoya/Japan. Bereits 1998 gab es allerdings dann zwei konkurrierende Organisationen, die beide den Anspruch erhoben, Roboter-Fußball zu organisierren. Der von Japan (Dr. Hiroaki Kitano, Sony) organisierte RoboCup und die von Korea (Prof. Jong-Hwan Kim, KAIST) geleitete FIRA. Beide unterscheiden sich in den Größen der Roboter und in den Spielregeln. Der Autor dieses Beitrags war vor allem im RoboCup aktiv, daher bezieht sich dieser Beitrag überwiegend auf diese Organisation. Im RoboCup gibt es derzeit 7 verschiedene Ligen, die sich durch die Größe und Art ihrer Roboter unterscheiden:

In der Simulation league treten nur „virtuelle Roboter", jeweils 11 pro Team, gegeneinander an. Es gibt einen zentralen RoboCup-Server, der die Aktionen aller simulierten Spieler ausführt, d.h. die jeweiligen Spielzüge der 22 Programme, welche die Aktionen der Spieler berechnen. In der Middle-size league treten jeweils 4 reale Roboter von ca. 50 cm Durchmesser auf einem Spielfeld von ca. 5 x 9 m 2 gegeneinander an. Die Roboter müssen ihre komplette Sensorik selbst tragen. Sie können allerdings per Funk miteinander und mit einer Basisstation kommunizieren. Der Ball, ein Lederfußball normaler Größe, die Tore und die Roboter haben spezielle Farben, so daß sie per Farb-Bildverarbeitung leicht detektiert werden können. Bei der Small-size league spielen jeweils 5 kleinere Roboter von ca. 15 cm Durchmesser auf einer Tischtennis-Platte um einen Golfball. Hier darf eine zentrale Deckenkamera verwendet werden, was die Positionsbestimmung des Balls und der Roboter viel einfacher macht, dafür ist die Regelung der im Verhältnis zur Spielfeldgröße sehr schnellen Roboter schwieriger. In der Sony four-legged league treten jeweils 3 leicht modifizierte AIBO-Roboter von Sony gegeneinander an, auf einem Spielfeld der Größe 2 x 3 m 2 . Hier gibt es wegen der ein geschränkten Bildverarbeitung der Roboter„hunde" noch eine spezielle Farbcodierung am Spielfeldrand. Bisher agierten diese Roboter völlig autonom. Im RoboCup Junior sollen Schüler für die Robotik begeistert werden, hier hat z.B. Lego mit den Lego Mindstorms Roboterbaukästen geeignete Hardware und Software entwickelt. Auf die beiden neuesten Klassen, Humanoid Robots und RoboCup Rescue, wird später noch eingegangen.

Spielregeln des RoboCup

Im folgenden sollen kurz die wichtigsten Regeln der Middle-size league des RoboCup etwas ausführlicher erläutert werden, da aus Platzgründen nicht alle Wettbewerbstypen konkretisiert werden können. Diese gilt derzeit noch, mangels leistungsfähiger humanoider Roboter, als die „Königsklasse" der fußballspielenden Roboter. Das Gewicht der Roboter ist auf 80kg beschränkt, ebenso ihre Maximalhöhe auf 80cm. Um die Aufgabe der Erkennung von Ball, Robotern, Toren etc. möglichst einfach zu halten, ist der Ball als einziges Objekt orangerot, ein Tor ganz gelb, das andere ganz blau, der Fußboden grün, die Banden weiß, die Roboter sind schwarz mit genormten Farbmarkierungen. Dies dient dazu, die Aufgabe der Bildverarbeitung so einfach zu halten, daß sie mit onboard-PCs durchführbar ist.

Um die Form der Roboter gab und gibt es lang andauernde Diskussionen, speziell, was an Kick-und Führungsmechanismen für den Ball erlaubt ist oder nicht. So muß sichergestellt sein, daß nicht ein Roboter den Ball umschließt oder festklemmt und diesen bis ins gegnerische Tor schiebt, ohne daß ein anderer intervenieren könnte. Es gibt daher eine Regel, die sicherstellt, daß der Ball jederzeit von Gegnern abgenommen werden kann. Um die genaue Formulierung dieser Regeln wird hart gerungen, weil für Unbeteiligte eher geringfügige Regeländerungen starke Auswirkungen auf die Fähigkeiten der Roboter haben können. Würde beispielsweise die Farbe des Balls von orange auf weiß geändert, könnte er nicht mehr farblich erkannt werden, und alle Teams müßten neue, formbasierte Ballerkennungsalgorithmen entwickeln, die derzeit noch zu zeitaufwendig und unsicher sind. Würden die Torfarben entfernt, müßten die meisten Teams zusätzliche Sensorik (z.B. digitale Kompasse) einbauen. Insofern sind die derzeitigen Roboter noch längst nicht ausreichend robust, um etwa mit einem 3-jährigen Kind verglichen werden zu können.

Technik der Fußball-Roboter

Basisplattform vieler Fußball-Roboter sind kommerzielle Kleinroboter, wie etwa der ActivMedia Pioneer oder der Nomad SuperScout. Diese bringen bereits einen ausreichend guten Antrieb mit, oft auch einen eingebauten PC mit kleinem Formfaktor. In den letzten Jahren sah man auch verstärkt Eigenkonstruktionen, etwa von der GMD, der Uni Ulm, Padua, Sharif University und anderen.

Zumeist besitzen die käuflichen Roboter auch Ultraschall-Sensoren, die aber für eine gute Lokalisation nicht ausreichen und höchstens als Abstandssensor zur Hindernisvermeidung eingesetzt werden. Einige Teams setzen zusätzlich Infrarot-Sensoren als Abstandssensoren ein, speziell für den Nahbereich.

Die wichtigsten Sensoren der Fußball-Roboter sind Farbkameras mit Bildverarbeitung. Inzwischen setzen relativ viele Teams selbstgebaute 360°-Kameras ein, bei denen eine Kamera von unten auf einen konischen oder paraboloiden Spiegel schaut, so daß die Kamera einen (stark verzerrten) Rundumblick um den Roboter liefert. Andere verwenden mehrere Kameras, mit denen der frontale Bereich besser abgedeckt wird, der Rückraum dagegen weniger. Bei den Tübinger Robotern wird sowohl eine 360°-Kamera als auch eine Frontkamera verwendet. Mit digitalen Kameras nach IEEE 1394 könnte die Bildaufnahme verbessert werden, die meisten Teams nutzen aus Kostengründen noch analoge CCD-Kameras.

Der mit Abstand präziseste Sensor der Fußballroboter ist ein 2D-Laserentfernungsmesser der Freiburger Firma Sick AG, den mehrere deutsche Teams (Freiburg, Stuttgart und Tübingen) verwenden. Leider ist dieser mit 4.5 kg recht schwer und relativ teuer. Jedoch ist die Geschwindigkeit und Genauigkeit (ca. 30 Scans/s mit Winkelauflösung von 1° und Entfernungsauflösung von 10 mm) so hoch, daß diese Sensoren in Verbindung mit sehr guter Auswerte- und Pfadplanungssoftware Garanten für die mehrfachen Titelgewinne des Freiburger Teams waren.

Die Kommunikation der Roboter untereinander und mit einer Basisstation am Spielfeldrand, in der die Roboter sich gegenseitig ihre Position sowie ggf. die Position des Balles und der gegnerischen Spieler mitteilen, spielt eine wichtige Rolle. Trotz mehrjähriger Erfahrungen mit Funk-Ethernet-Sy-stemen im IEEE 802.11b-Standard bereitet die Störung der Kommunikation, die durch die vielen gleichzeitig funkenden Teams bei jedem größeren Turnier erneut auftritt (und nie zu Hause beim Training!) immer noch große Schwierigkeiten.

Viele Roboter verwenden einen Kick-Mechanismus, der entweder durch Preßluft, durch Federkraft oder durch starke Elektromagnete arbeitet. Diese Kick-Mechanismen sind vergleichbar mit dem Kicken eines 3-Jährigen. Allerdings können die Roboter bisher ebensowenig mit dem Ball um Hindernisse dribbeln wie dieser, weil dazu nötige Führungsmechanismen wegen obiger Regeln verboten sind. Die Technik aller Roboter der verwendeten Teams und besonders interessante Forschungsberichte der besten Teams sind in den jährlichen Konferenzbänden über den RoboCup nachzulesen.

Software der fußballspielenden Roboter

Für KI-Forscher bietet sich das Gebiet als eines an, bei dem viele ihrer Methoden, wie heuristische Suchverfahren, KI-Planungsverfahren, Wissensrepräsentationsformalismen und Umweltmodellierung, Sensorfusion etc. eingesetzt werden können und gegen andere Ansätze (neuronale Modelle, statistische Verfahren) verglichen werden können. Tatsächlich spielen die auf symbolischer KI basierenden Verfahren bisher in der middle-size league des RoboCup aber nur eine geringe Rolle, möglicherweise deshalb, weil trotz aller Anstrengungen die Probleme der niedrigeren Schichten, speziell der Sensorik (schnelle, robuste Echtzeit-Farbbildverarbeitung) und Regelung bisher noch dominierten.

Die beste KI-Planung nützt wenig, wenn der Roboter den Ball nicht zuverlässig detektieren kann. Es läßt sich bei einem Überblick über die verschiedenen Teams derzeit auch kein einheitliches Software-Architekturmodell identifizieren. Viele Teams haben in ihrer Software-Architektur sowohl Prinzipien hierarchischer Organisation, etwa angelehnt an das Perzeptionsmodell der Robotik (sense, model, perceive, plan, act) als auch Prinzipien eines Behavior-basierten Ansatzes nach der Subsumption-Architektur von Brooks. Schnelle, farbbasierte Bildverarbeitung und Varianten von Kalman-Filtern für die Trajektorienberechnung von Ball und Gegenspielern spielen in den meisten Teams eine wichtige Rolle, das Freiburger Team verwendet erfolgreich auch Echtzeit-Pfadplanungsalgorithmen. In vielen Teams verhindern aber noch Fehler in niedrigeren Ebenen der insgesamt recht komplexen, meist von vielen Studenten geschriebenen und schwer zu testenden Software und eine unzureichende Sensorik und Aktorik zur genauen Ballannahme die erfolgreiche Demonstration höherer Fähigkeiten, wie etwa ein Doppelpaßspiel.

Außerdem hat jedes Middle-size-Team eigene Robotik-Forschungsschwerpunkte, eigene Hardware und Software, und es gibt, bedingt durch die unterschiedliche Hardware und Sensorik, bisher in dieser Liga nur wenig Austausch von Software. Eine stärkere Kooperation ist jedoch in dem vor kurzem begonnenen DFG-Schwerpunktprogramm Robo-Cup geplant und sie findet in der Simulation league und der Sony legged league bereits erfolgreich statt.

Aktuelle und künftige Entwicklungen

Was sind die aktuellen Entwicklungen des Roboterfußballs? Obwohl die Spielstärke realer Roboterteams immer noch relativ schwach ist, arbeitet die RoboCup-Community daran, die anfangs bewußt sehr roboterfreundlich gehaltene Spielumgebung langsam zu „normalisieren". Dies ist allerdings viel schwieriger als vermutet. Nachdem erst vor kurzem für den RoboCup 2002 in Fukuoka die Entfernung der Banden beschlossen wurde, müssen alle Teams, die ihre Position durch Entfernungsmessung zu den Wänden bestimmten, ihre Roboter-Selbstlokalisation neu entwickeln. Weiterhin ist künftig eine Reduktion der großen Abhängigkeit von Farben zur Objekterkennung geplant.

RoboCup Rescue ist das neueste Szenario, das ebenfalls auf H. Kitano zurückgeht: Als Folge des Erdbebens von Kobe in Japan schlug er vor, ebenso einen Wettkampf von Rettungsrobotern zu veranstalten. Diese Idee fiel auch bei der American Association for Artificial Intelligence (AAAI) auf fruchtbaren Boden, und das amerikanische National Institute for Standards and Technology (NIST) erstellte umgehend ein transportables zweistöckiges Katastrophen-Szenario, in dem Roboter teilweise ferngesteuert, teilweise autonom in verschiedenen Räumen mit wachsendem Schwierigkeitsgrad nach Verschütteten suchen sollten. Dieses Szenario hat durch den Terroranschlag auf das World Trade Center schlagartig eine sehr hohe Relevanz bekommen. In der Suche nach Überlebenden wurden dabei zum ersten Mal Suchroboter eingesetzt. Auch hier gibt es eine Simulationsliga und eine Liga mit echten Robotern, die 2001 in Seattle ihr Debut feierte.

In der Humanoid league, die 2000 in Melbourne zum ersten Mal demonstriert wurde, treten zweibeinige Roboter gegeneinander an. Prototypen solcher Roboter sind etwa der Honda Asimo, der Sony SDR-3X, der Fujitso HOAP-1 oder der Roboter PINO von Kitano, sowie weitere. Honda hat in die Entwicklung humanoider Roboter bisher über 100 Millionen Dollar investiert. Auch in Deutschland werden inzwischen humanoide Roboter erforscht, etwa an der TU München und der Uni Karlsruhe. Allerdings sind alle derartigen Roboter derzeit noch weniger als ihre rollenden Geschwister in der Lage, Fußball zu spielen. Für laufende Roboter ist das Problem der Bildverarbeitung wegen der stärkeren und weniger gut vorhersagbaren Eigenbewegung der Kamera viel schwieriger, die derzeitige Akku-Technik erlaubt zudem nur sehr kurze Zeiten autonomen Gehens. Die Stabilität der humanoiden Roboter bei Kontakt mit einem Gegenspieler ist auch noch ungelöst.

Hier gibt es also noch sehr viel Forschungs-und Entwicklungsbedarf, bevor die Vision des RoboCup-Gründers Kitano, daß ein Roboterteam im Jahre 2050 das menschliche Fußball-Weltmeisterteam schlagen könnte, in den Bereich der Möglichkeit rückt.

Literatur

  1. obocup.org/02.html
  2. FIRA official site: http://www.fira.net/
  3. Sony Aibo: http://www.aibo.com/ers_210/
  4. P. Stone, T. Balch, G. Kraetzschmar (Eds): RoboCup 2000 : robot soccer World Cup IV., Lecture notes in artificial intelligence; Vol. 2019., Springer, 2001.
  5. Site des deutschen AK Robocup: http://www.robocup.de/
  6. RoboCup 2002 in Fukuoka/Busan: http://www.robocup2002.org/
  7. Honda Asimo: http://www.honda-p3.com/english/html/asimo/frameset2.html
  8. Kitano Symbiotic Systems PINO: http://www.symbio.jst.go.jp/~yamasaki/.

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Autor und Copyright

Andreas Zell
Universität Tübingen

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