Wenn Roboter Fußball spielen

Die jüngste Fußball-WM wurde nicht etwa von Frankreich gewonnen, sondern von Deutschland – jedenfalls bei Robotern. In einem Fachaufsatz berichten die Entwickler dahinter, wie sie das gemacht haben.

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Sie sind der Meinung, die jüngste Fußballweltmeisterschaft sei von einem guten französischen Team gewonnen worden, das sich in einem dramatischen Finale gegen Kroatien durchgesetzt hat? Dann haben Sie vielleicht das falsche Turnier angeschaut.

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Denn ungefähr zur gleichen Zeit wie die FIFA-WM im Männerfußball fand in Montreal, auf der anderen Seite der Welt, ein weiterer Wettbewerb statt: die Fußball-WM für Roboter in Menschengröße. Als Sieger ging daraus, zum zweiten Mal in Folge, ein Roboter namens NimbRo hervor. Nicht überraschend: Er stammt aus Deutschland und vertritt somit ein Land mit einer langen Geschichte von fußballerischen Erfolgen.

In einer Studie berichten die Macher hinter NimbRo jetzt über einige der Herausforderungen, die sei beim Bau ihres elektronischen Helden erlebt haben. Die ursprüngliche Konstruktion war für den RoboCup 2017 in Nagoya vorgesehen, bei dem erstmals menschengroße Maschinen antraten. Die Arbeit zeigt: Zwar haben Robotiker bereits erhebliche Fortschritte gemacht, doch für die nächsten Jahre besteht noch riesiges Potenzial für weitere Verbesserungen.

RoboCup 2018 Tag 1 (8 Bilder)

Bei Freistößen und anderen Standardsituationen muss der Ball in der Middle Size League mittlerweile zu einem Mitspieler gepasst werden, bevor aufs Tor geschossen werden darf. Die besten Teams beherrschen das Passspiel aber auch aus der Bewegung heraus. (Bild: Hans-Arthur Marsiske)

Die RoboCup-Serie begann im Jahr 1997 als Gelegenheit, unterschiedliche neu aufkommende Technologien in den Bereichen Robotik, maschinelles Sehen, Aufgabenplanung und weiteren zu testen. Die ersten Turniere könnten Zuschauer allerdings als wenig spektakulär in Erinnerung behalten haben. Sie waren geprägt vom ulkigen stolpernden Gang der Spieler, komischen Patzern und besorgten menschlichen Betreuern, die ihren Schöpfungen oft kaum zusehen wollten.

Meist waren diese Roboter winzig und oft nicht einmal humanoid. Hauptsächlich liegt das daran, dass es besonders schwierig ist, große Maschinen mit Strom zu versorgen und zu steuern, vor allem solche auf zwei Beinen. Zudem müssen Robotiker nicht nur gehen, laufen und schießen in den Griff bekommen, wenn sie Fußball automatisieren wollen.

Seit den Anfängen hat es rapide Fortschritte bei künstlicher Intelligenz und Robotik gegeben. Also könnte man vermuten, dass Maschinen Fußball inzwischen beherrschen – immerhin sind sie bei Schach, Go und mehreren Atari-Videospielen bereits besser als Menschen.

Beim Fußball aber ist es noch nicht so weit. Zwar wurden in den vergangenen Jahren stärkere und effizientere Aktuatoren entwickelt, die den Bau von Fußball-Robotern in Menschengröße ermöglichen. Zum Beispiel solche wie NimbRo, einem zweibeinigen Roboter, den Grzegorz Ficht und Kollegen von der Universität Bonn innerhalb von sechs Monaten für den Robocup 2017 bauten.

Als menschengroß gelten Roboter, wenn sie zwischen 130 und 180 Zentimetern groß sind. NimbRo misst 135 Zentimeter und wiegt 18 Kilogramm. Beim Turnier werden mehrere Partien gegen einzelne Gegner ausgetragen, am Ende gibt es ein Finale, bei dem der Spieler gewinnt, der die meisten Tore schießt. Außerdem gibt es eine Reihe von technischen Prüfungen wie schießen eines rollenden Balls, springen und abfangen nach einem Schubser.

RoboCup 2018 Tag 3: Hochsprung und andere Wettbewerbe (10 Bilder)

Neben Fußball gibt es beim RoboCup auch Wettbewerbe, die stärker auf konkrete Anwendungen bezogen sind. Dazu zählen RoboCup@work, bei dem es um mobile Manipulation geht … (Bild: Hans-Arthur Marsiske)

Eine Reihe von Besonderheiten macht NimbRo besonders gut darin. Unter anderem ist er einfach aufgebaut, sodass sich Teile leicht warten und ersetzen lassen. „Die Struktur des Roboters wurde so weit wie möglich vereinfacht, um die Komplexität gering zu halten, gleichzeitig aber genügend Funktionalität für das Spielen von Fußball zu haben“, schreiben Ficht und Kollegen.

Das Exoskelett besteht aus nur wenigen, einfachen Teilen, die sämtlich mittels 3D-Druck aus Nylon gefertigt wurden. „Dank der Flexibilität von 3D-Druck konnten wir in kurzer Zeit einen bezahlbaren, anpassbaren, sehr leistungsfähigen humanoiden Roboter in Menschengröße entwickeln“, heißt es in der Studie.

Die meisten Teile sind zudem symmetrisch, sodass sie an unterschiedlichen Stellen eingesetzt werden können. Dadurch müssen weniger Ersatzteile vorgehalten werden.

Seine Sehfähigkeit erhält NimbRo über eine einzelne C905-Kamera von Logitech mit 150 Grad Sichtfeld von 150 Grad. Die Verarbeitung der Daten übernimmt ein Mini-PC von Intel. Er ist zuständig für Objekt-Erkennung, Roboter-Lokalisierung, Aufgabenplanung und Aktuatoren-Steuerung.

All das hilft dem Roboter beim Fußballspielen. Er muss den Ball lokalisieren und sich zu ihm bewegen können, Hindernissen wie anderen Robotern ausweichen sowie schießen und dribbeln.

Das kann NimbRo ziemlich gut. In fünf Spielen schoss er 46 Tore und kassierte selbst nur ein einziges, im Finale gegen den Roboter Sweaty. Außerdem bekam er 21 Punkte in den Technik-Prüfungen, was einen klaren Sieg bedeutete. „Beim RoboCup 2017 in Nagoya spielten unsere Roboter sehr gut und gewannen das Turnier mit hohen Punkteständen“, schreiben die Forscher dazu. Und in diesem Juni konnte NimbRo den Titel verteidigen.

RoboCup 2018 Tag 4: Finalspiele (10 Bilder)

RoboCupper sind Meister der Improvisation: Die Zuschauertribüne ist fast leer? Wie wunderbar! Da kann … (Bild: Hans-Arthur Marsiske)

Die interessante Studie zeigt, wie weit Roboter bei relativ komplexen Aufgaben bereits gekommen sind. Jedoch sind zugleich noch reichlich Verbesserungen möglich.

Ein Beispiel dafür ist zuverlässige Balance. Bei Robocup-Spielen ist stets zu beobachten, dass ein Mensch den Robotern auf den Fersen bleibt, um ihn aufzufangen, falls er umfällt, und so unnötige Schäden zu verhindern. Doch die Fähigkeit, zu fallen und dann rasch wieder aufzustehen, ist bei jedem Fußballspiel (und nicht nur dort) unverzichtbar. Zudem bewegen sich die Roboter weder besonders schnell noch flüssig. Ihr Gang lässt sich am besten als geducktes Schlurfen beschreiben.

Und auch die fußballerischen Fähigkeiten der Robter sind bislang bestenfalls bescheiden. Mit Menschen können sie sich keinesfalls schon messen.

Es werden in Kürze Verbesserungen erwartet. Derzeit gibt es bereits Roboter in Menschengröße, die besser das Gleichgewicht halten und flüssiger laufen können, wie ein Video von Boston Dynamics zeigt. Diese Maschinen wären als Gegner auf dem Fußballplatz schon ernster zu nehmen. Bis wir sie auch dort sehen, dürfte es nur eine Frage der Zeit sein.

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