Mistrem světa v robotickém fotbale je znovu družstvo B-Human

Soutěže servisních robotů pořádané od roku 1997 celosvětově i na národních úrovních mezinárodní organizací RoboCup (www.robocup.org) velmi aktivně přispívají k výzkumu, vývoji a vzdělávání v oboru inteligentní robotiky. Snahou pořadatelů je nabídnout aktivní účast a zapálit pro práci v oboru robotiky co největší počet tvořivých mladých vědců a techniků. Ve světě jsou soutěže pod hlavičkou RoboCup velmi populární zejména díky soutěžím v robotickém fotbale s nanejvýš ambiciózním cílem vyvinout do roku 2050 roboty, které dokážou porazit mužstvo v té době nejlepších fotbalistů světa. Mistrovství světa RoboCup 2019 se uskutečnilo v Sydney v Austrálii. 

Celosvětová soutěž RoboCup se koná každý rok v jiné zemi. Letošní, v pořadí již 23. ročník mezinárodní soutěže v robotickém fotbale se uskutečnil pod názvem RoboCup 2019 ve dnech 2. až 8. července 2019 ve městě Sydney, po devatenácti letech opět na australské půdě. Více než 2 000 odborníků, novátorů, studentů a žáků z téměř 50 zemí se zde zúčastnilo soutěží v robotickém fotbale a v přidružených aplikačně orientovaných kategoriích (tab. 1). Aktivní účastníci přivezli na mistrovství na 600 soutěžících družstev sestavených z robotů špičkové technické i softwarové úrovně, které přesvědčivě demonstrovaly, co již moderní servisní robotika s podporou umělé inteligence dokáže. Celkově sice bylo letošního mistrovství světa robotů co do rozsahu skromnější než v předchozích letech, což pořadatelé vysvětlují tím, že cestovní vzdálenost a tím i náklady byly pro mnoho družstev z Evropy a Severní Ameriky příliš velké. Přestože vstup na všechny soutěže byl volný, byla menší i návštěvnost, letos asi 20 000 diváků.

Po náročných soutěžích se v rámci akce uskutečnilo odborné sympozium, na kterém mohli odborníci podrobně diskutovat o vědeckých principech prezentovaných robotických prostředků a systémů, hovořit o svých nejnovějších poznatcích a zkušenostech z oboru umělé inteligence a robotiky a dotknout se i otázek budoucího vývoje v oboru (http://www.robocup2019.com). 

Robotický fotbal je čím dál náročnější

V Austrálii se již tradičně hlavní pozornost soustředila na soutěže v robotickém fotbale pořádané v několika výkonnostních třídách jako neoficiální mistrovství světa. K nejsledovanějším patřilo mistrovství světa fotbalových robotů ve třídě Standard Platform League (dále jen standardní liga), která je charakteristická tím, že všechna soutěžící družstva používají stejný hardware, tedy stejný model robotu, jímž je humanoidní robot Nao ze sériové produkce firmy Softbank Robotics. V letošním roce měla družstva poprvé k dispozici také novou verzi robotu, robot Nao V6 (obr. 1). Hlavní rozdíl oproti předešlému modelu, který lze v soutěži stále ještě používat, je výpočetní výkon, jenž je u nového modelu několikanásobně větší, což umožňuje robotům Nao zpracovávat výpočtově ještě mnohem náročnější algoritmy než doposud. Roboty jednotlivých družstev se liší pouze aplikačním softwarem, který soutěžící družstva pro své roboty vyvinula.

V letošním finále soutěže ve standardní lize se v boji o titul mistra světa v robotickém fotbale střetla dvě německá družstva, družstvo B-Human z Brém, jehož zřizovatelem je Německé výzkumné středisko pro umělou inteligenci (Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz – DFKI), a družstvo Nao-team HTKW (Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur) z Lipska (obr. 2). Po vynikajícím výkonu v předkole s vysokými výhrami bez obdržených branek a po skvělých čtvrtfinálových a polofinálových zápasech se družstvo B-Human probojovalo do finále soutěže, kde se střetlo s fotbalovými roboty týmu z Lipska. Tato dvě německá mužstva stanula proti sobě ve finále soutěže již počtvrté, když se v roce 2018 podařilo družstvu Nao-Team HTWK družstvo B-Human poprvé porazit – o napínavost finále tak bylo předem postaráno. V prvním poločase lipský tým nejprve získal jednobrankové vedení krátkým kopem napříč brémskou obranou. Po několika promarněných šancích se družstvu B-Human podařilo pět minut před závěrečným hvizdem rozhodčího dosáhnout toužebně očekávaného vyrovnávacího gólu. Předcházel mu však faul lipského robotu na brémské polovině hřiště. Dosažený gól byl tudíž anulován a následující volný kop zahrálo družstvo B-Human hluboko do protivníkovy poloviny, přesně před nohy útočníka, který tam čekal a mohl umístit míč neomylně do branky soupeře. O necelou minutu později zahrálo družstvo B-Human jeden ze svých obávaných dálkových kopů, z něhož padla vítězná branka, která družstvu B-Human zajistila ve finálovém souboji vítězství 2:1 a tím opětovný titul mistra světa (obr. 3). 

Doplňkové soutěže a přísnější hrací podmínky

Vedle hlavních soutěžních zápasů se družstvo B-Human zúčastnilo také soutěže smíšených týmů, kdy se spojí vždy dvě mužstva dohromady, aby v malém turnaji změřila své síly s ostatními smíšenými týmy. Společně s družstvem Berlin United Humboldtovy univerzity v Berlíně vytvořilo družstvo B-Human v Sydney smíšený tým s názvem B & B, který se bez námahy dostal do finále. Rovněž zde tým B-Human narazil na družstvo Nao-team HTKW z Lipska, které společně s družstvem Bembelbots Goethovy univerzity z Frankfurtu nad Mohanem vytvořilo smíšený tým Team Team. Oba přibližně stejně silné týmy si nic nedarovaly a vyrovnaná hra skončila v základním čase remízou 0:0. Teprve střelba pokutových kopů v prodloužení zápasu přinesla rozhodnutí, při kterém o jednu branku zvítězil a triumfoval smíšený tým B & B.

Aby se pravidla utkání robotů ještě více přiblížila pravidlům skutečných fotbalových zápasů, přicházejí pořadatelé soutěže každoročně s novými požadavky. Vedle dosavadních volných přímých kopů a brankářských výkopů byly v Sydney zavedeny do hry také rohové kopy. Jestliže doposud hráč ve hře dopravil míč přes postranní čáru do autu, položil rozhodčí míč jednoduše na hrací plochu a nechal pokračovat ve hře. Nyní místo toho obdrží protivníkův tým výhodu „vhazování“, kdy nejde o vhození, nýbrž o „vkopnutí“ (kick-in) míče.

Stále složitější pravidla robotických fotbalových zápasů vyžadují též nové algoritmy reflektující rostoucí složitost hry. Jestliže se ještě před několika lety hrál robotický fotbal v halách bez oken při neměnném umělém osvětlení, v současnosti se dává přednost hracím plochám s přirozeným osvětlením umístěným v blízkosti oken. V Sydney se např. hrálo u velkých oken, kterými do sálu dopadalo proměnlivé množství světla, což vytvářelo na hrací ploše střídavě světlejší a tmavší místa. Družstvo B-Human se s těmito podmínkami, pro strojové vidění mimořádně obtížnými, úspěšně vypořádalo použitím moderní metody deep learning. Zatímco v předchozích letech se pro podporu rozpoznání míče již používala neuronová síť, tentokrát byla pro rozpoznání robotů použita výkonnější, tzv. konvoluční neuronová síť (Convolutional Neural Net, krátce CNN nebo ConvNet). Ta umožňuje z obrazu sejmutého kamerou robotu určit polohy a vzdálenosti všech v něm obsažených robotů Nao, přičemž vyniká zejména velkou rychlostí zpracování: analýza obrazu sejmutého robotem trvá jen několik málo milisekund. Vědecké práce k tomuto tématu představili odborníci brémského družstva na již zmíněném sympoziu konaném po ukončení akce RoboCup 2019. 

Německé družstvo vítězí také v humanoidní lize

Velmi dobré výsledky zaznamenalo rovněž družstvo NimbRo univerzity v Bonnu v humanoidní lize, ve které proti sobě nastupují družstva individuálně zhotovených humanoidních robotů. Soutěže jsou pořádány ve třech velikostních třídách podle výšky robotů, ve třídě KidSize (výška menší než 60 cm), TeenSize (výška 100 až 140 cm) a AdultSize (výška větší než 130 cm). Bonnské družstvo NimbRo členů pracovní skupiny pro autonomní inteligentní systémy Ústavu pro informatiku univerzity v Bonnu pod vedením prof. Svena Behnkea obhájilo v Sydney titul mistra světa v kategorii humanoidních robotů ve třídě AdultSize, který získalo v roce 2017 v japonském městě Nagoya i v roce 2018 v kanadském Montrealu.

Letos pořadatelé připravili opět několik novinek, na které musela družstva reagovat. Především nastupovaly ve třídě Humanoid-AdultSize poprvé jako jeden tým společně dva roboty, což umožnilo přejít na týmovou hru při změně dosavadních herních strategií. Současně byla více než zdvojnásobena plocha hracího pole.

Bonnský tým dokončil výrobu dalšího robotu typu NimbRo-OP2X, takže pro soutěž v Sydney měl k dispozici nového výkonného hráče (obr. 4). Bonnské roboty NimbRo nastoupily se zdokonaleným softwarem umožňujícím jim častěji uspět v souboji s protihráčem a poté míč driblováním rychle dopravit do branky soupeře. Díky zlepšení softwaru v oblasti vnímání byly roboty NimbRo vždy v obraze hry a oba roboty v týmu se po bezdrátové síti (WLAN) mohly vzájemně informovat a „domluvit se“, kdo půjde k míči.

V turnaji hlavní soutěže v kategorii humanoidních robotů dominoval tým NimbRo jasně nad mezinárodní konkurencí. Ve čtyřech zápasech předkola dosáhl skóre 29:0 a v semifinále zvítězil 11:0. Ve finále nastoupilo družstvo NimbRo proti družstvu Sweaty z Vysoké školy v Offenburgu. Přestože obě družstva měla co do mechaniky přibližně stejně výkonné hráče, díky lepšímu softwaru zvítězilo družstvo NimbRo, které soupeře deklasovalo výhrou 8:0 a přesvědčivě obhájilo svoje prvenství.

Vedle hlavní soutěže se konal také turnaj Drop-In, ve kterém spolu hrála mužstva sestavená z robotů z různých vylosovaných družstev, a i zde byly roboty z družstva Nimb­Ro úspěšné.

Také letos se konaly technické soutěže, při nichž se u robotů individuálně posuzují schopnosti důležité při hraní fotbalu. Rovněž zde roboty univerzity v Bonnu dokázaly, jak umějí udržet rovnováhu i při důraznějším postrčení protihráčem, zvládnou přijmout přihrávku a kopnout míč do branky, kopnout míč přes překážku a že problémem pro ně není ani skok do výšky. Roboty družstva NimbRo zkrátka výrazně předčily své soupeře i ve všech technických soutěžích. 

Úspěšné byly i německé servisní roboty pro domácnost

Německá družstva byla při mistrovství světa RoboCup 2019 úspěšná též v nefotbalových soutěžích. Například družstvo Homer Univerzity Koblenz-Landau již počtvrté získalo v soutěžní kategorii RoboCup@Home titul mistra světa ve třídě Open Platform, ve které mohou družstva používat libovolný typ robotu. Po úspěších v roce 2015 v čínském městě Che-fei, v roce 2017 v japonské Nagoji a v roce 2018 v kanadském Montrealu obhájilo titul nyní také v australském Sydney a tím se stalo historicky nejúspěšnějším týmem v soutěžích kategorie RoboCup@Home, speciálně určené pro servisní roboty k použití v domácnosti. Mezi schopnostmi pro práci a pomoc v domácím prostředí vyžadovanými od robotů soutěžících v této kategorii jsou např. schopnost samostatně se orientovat a pohybovat v několikapokojovém bytě, otevírat a zavírat dveře, vyhledávat a rozpoznávat konkrétní osoby, správně vykonat pokyny zadávané v otevřené řeči, gestikulací či posunky, i poskytnout první pomoc člověku v nouzové situaci.

Soutěžící roboty měly letos za úkol vynést domácí odpadky, naplnit nádoby, přijmout a obsluhovat hosty v domácnosti a vypomáhat v restauraci. Ve finále ukázalo družstvo Homer použití servisního robotu k autonomnímu čištění toaletní mísy (obr. 5).

Do závěrečné soutěže se kvalifikovalo 25 nejlepších týmů z celého světa ve třech třídách, z toho devět ve třídě Open Platform. Vítězné družstvo Homer z Koblence v soutěži použilo jednak vlastní robot Lisa, který samostatně navrhli a vyvinuli studenti počítačové vizualistiky a informatiky na univerzitě pod vedením prof. Dr.-Ing. Dietricha Pauluse, a jednak robot Tiago z produkce firmy PAL Robotics. 

Závěr

Mezinárodní soutěž RoboCup 2019 skončila v Sydney již tradičně velkým úspěchem německých družstev, která ve všech soutěžích obsadila přední místa. K nejúspěšnějším patřilo družstvo B-Human, společný tým univerzity v Brémách a Německého výzkumného střediska pro umělou inteligenci (DFKI), které se soutěží RoboCup v robotickém fotbalu v kategorii standardní liga zúčastňuje již od roku 2009, a ač to zní neuvěřitelně, letos získalo titul mistra světa již posedmé. Aktuálně družstvo B-Human se skládá z patnácti studentů vyšších semestrů na Fakultě matematiky a informatiky univerzity v Brémách pod vedením Dr. Tima Laueho a z výzkumných pracovníků střediska DFKI pod vedením Dr. Thomase Röfera. Za výbornou propagaci robotiky a umělé inteligence si zaslouží obdiv a uznání i všechna ostatní družstva z celého světa, která se soutěží RoboCup 2019 aktivně zúčastnila. Další údaje a komentáře k akci z pohledu úspěšných německých družstev nabízejí [2], [3], [4] a [5].

Příští mezinárodní soutěž RoboCup 2020 se uskuteční ve dnech 23. až 29. června 2020 ve francouzském městě Bordeaux, po delší době tedy na místě přece jenom přístupnějším pro zájemce o robotiku a robotické soutěže z Česka. 

Literatura:

[1] KABEŠ, K. Robotický fotbal má nového mistra světa. Automa. Děčín: Automa – ČAT 2018, (10), 42–43. ISSN 1210-9592.

[2] Die Erfolgsgeschichte geht weiter: B-Human wird in Sydney zum siebten Mal RoboCup Weltmeister. Pressemitteilung DFKI Bremen, 8. 7. 2019.

[3] HTWK – Fußballroboter sind Vizeweltmeister. Pressemitteilung HTWK Leipzig, 9. 7. 2019.

[4] Fußballroboter der Uni Bonn verteidigen WM-Titel. Pressemitteilung Uni Bonn, 8. 7. 2019.

[5] Roboter-Team homer der Universität in Koblenz ist Rekordweltmeister. Pressemitteilung Universität Koblenz-Landau, 8. 7. 2019. 

Ing. Karel Kabeš

Obr. 1. Ve všech zápasech družstva B-Human v roce 2019 již hraje osm robotů nového typu Nao V6 (foto: Annemarie Popp, DFKI)

Obr. 2. Družstvo fotbalových robotů Nao Team HTWK z Lipska (foto: HTWK Leipzig)

Obr. 3. Družstvo B-Human oslavuje vítězství ve finále soutěže v robotickém fotbale RoboCup 2019 v Sydney (foto: B-Human)

Obr. 4. Nový fotbalový robot NimbRo-OP2X družstva univerzity v Bonnu (foto:AIS/Uni Bonn)

Obr. 5. Servisní robot Tiago předvádí svou schopnost vyčistit toaletní mísu (foto: Tem)

Tab. 1. Soutěžní kategorie v mezinárodní soutěži RoboCup