Отгремел Чемпионат Мира по футболу 2022 («болели» за Аргентину?) и снова всплыл вопрос, которым задаются многие люди с тех пор, когда первый робот смог пнуть «ногой» по мячу: «Когда же роботы будут играть в футбол наравне с людьми?».

Мы попросили поделиться своими мыслями Азера Бабаева, главного конструктора лаборатории гуманоидных роботов МФТИ, члена национального комитета RoboCup, представитель FIRA от России, руководителя кружка гуманоидных роботов в Физтех-Лицее, генерального директора компании «Мастернэт» и просто интересного собеседника. Предоставляем ему слово.

Что такое робофутбол?

Робофутбол, это очень широкое понятие, в него входят практически любые активности, связанные с роботами, которые пытаются взаимодействовать с мячом на игровом поле.

Широкое, потому что роботы, на данный момент времени, не являются достаточно совершенными и не могут воспроизвести один в один игру в футбол, как это делают люди. Поэтому используются определенные допущения и приближения к этой игре, в зависимости от вида играющих роботов. А так как традиция играть в футбол роботами зародилась порядка 20 лет назад и тогда не было гуманоидных роботов, которые могли бы с этим справиться на уровне человека, то и первые роботы не имели не то, что головы или рук, но и ног.

Современное же определение Робофутбола возникло после того, как искусственный интеллект обыграл чемпиона мира по шахматам Гарри Каспарова. Тогда возникла идея построить таких роботов, которые смогут выиграть в футбол у чемпионов мира по версии ФИФА. Срок такого матча назначили на 2050 год. И эта идея стала девизом федерации RoboCup и является задачей-максимум для всех, кто занимается робофутболом.

Изначально же в футбол играли колесными роботами, потому что их легче сконструировать, легче запрограммировать, и они могут быть разных размеров: от настольных, до тех, которые по своей массе уже приближаются к массе человека и требуют соизмеримых с реальными размеров игрового поля.  Эти роботы имеют средний вес в 20–30  килограммов и они уже почти что наравне с людьми играют в футбол. Но колесные роботы – это лишь промежуточный этап к гуманоидным роботам.

Структура соревнований

Кроме RoboCup, существует также вторая федерация робофутбола – FIRA. Она зародилась в Корее. По мере расширения самого робофутбола стали появляться различные лиги, такие подразделения внутри федераций, в которых стали участвовать различные виды роботов. Высшим приоритетом обеих федераций является футбол гуманоидных роботов, и такая лига есть в каждой из них. Для школ, кружков или для начинающих команд «легким стартом» в робофутболе будут конечно же колесные роботы. Но надо держать в уме, что когда-нибудь ваша команда сможет дойти до такого уровня квалификации, когда вы сможет перейти в лигу гуманоидных роботов. И к этому надо стремиться!

FIRA по численности участников примерно в два раза меньше чем RoboCup и она постепенно уходит непосредственно от футбола, больше смещаясь к олимпийским соревнованиям роботов в разных дисциплинах. Поэтому наиболее авторитетной федерацией сейчас является RoboCup, куда входят команды из 50 стран. И главным событием в каждом календарном году является чемпионат мира по футболу среди роботов.

Он собирает до трех тысяч участников и до 200 тысяч посетителей и очень похож на реальный чемпионат с командами и болельщиками. Проходит чемпионат на протяжении недели, но в отличие от «людского», завершается симпозиумом. Симпозиум — это мероприятие, в котором команды, занявшие победные места в чемпионате, рассказывают о своих  разработках, которые помогли им это сделать. Таким образом происходит обмен знаниями, и идет развитие самих роботов.

А так как это научный симпозиум, то доклады на нем расцениваются так же, как публикации в международных научных источниках. Так как основные участники чемпионата — это учебные заведения, такие как университеты и школы, то для студентов и аспирантов это отличный шанс получить еще и дополнительную публикацию себе в список. Аналогично проходит мировой чемпионат FIRA, но число участников там поменьше: примерно полторы тысячи.

Важным моментом является еще и то, что на симпозиум приезжают не только участники, но и исследователи без команд, технологии которых применяются в соревнованиях. И это также позволяет улучшать алгоритмы и технологии, но уже и вне самих соревнований.

Каждая из этих федераций также имеет подразделения  в странах, где развивается робофутбол. В России существует национальная российская структура RoboCup. В основном это представители университетов, которые готовят у себя команды для участия в соревнованиях по правилам RoboCup. Сами соревнования начинаются с региональных этапов, а затем лучшие участники приглашаются на национальный российский этап RoboCup. Как правило он проводится в Томске.

Влияние на соревнование текущей международной ситуации

Система соревнований по правилам RoboCup никуда не делась несмотря на то, что мировая федерация RoboCup в марте этого года потребовала, чтобы российские команды отказались от участия во всех международных соревнованиях. К сожалению, в робофутболе есть команды, которые изначально были ориентированы на международных соревнованиях и у которых сейчас возникли определенные проблемы из-за этого.

Если брать Лигу простых колесных роботов, которые могут собрать даже школьники в своих кружках из простых материалов, в том числе из LEGO, то таких команд может быть очень много в России, и внутри страны у них есть возможность соревноваться друг с другом и расти за счет этого.

Но что касается гуманоидной Лиги, то единственная команда, которая в России существует, это наша команда МФТИ, и ей внутри страны просто не с кем играть. Была еще одна команда из Томского политехнического института, но их роботы могли играть только на ковролине, а не на траве, и в этом году они также отказались от соревнований.

Поэтому сейчас мы в поисках соперников за пределами страны. Это касается как гуманоидных роботов в свободной конструкции, так и гуманоидных роботов в стандартной конструкции.

Отличие гуманоидной свободной лиги от стандартной

Раз уж упомянули об гуманоидных лигах, то стоит рассказать, чем отличаются свободная и стандартная лиги.

В стандартной лиге играют роботы в стандартной конструкции. Это те роботы, которые приобретаются у одного производителя и только одной модели. И все участвующие команды должны приходить со своими роботами, которые были куплены только у этого производителя. Участникам ничего нельзя менять в конструкции роботов (даже батарея должна быть оригинальная), можно только заменить программу.

В свободной лиге вы не ограничены в конструкции робота. Главное, чтобы робот был гуманоидного типа: две руки, две ноги, голова. Камера должна быть расположена в голове робота, а его пропорции должны приближаться к пропорциям человека: руки не должны быть ниже колен, голова не имеет права вращаться более чем на плюс/минус 90 градусов, и у вас может быть максимум две камеры, которые смотрят только вперед робота.

В таких роботах также исключаются любые активные датчики: под запретом лидары или датчики расстояния на ИК или ультразвуке. Запрещено использование магнитометра, так как у человека в организме нет компаса, и мы не можем ориентироваться по магнитному полю, как те же птицы. А вот датчики, имитирующие сенсорику человека: датчики давления, акселерометры, гироскопы – использовать не запрещается.

Есть ограничения и на  счет пропорций тела роботов: регламентируется высота центра тяжести или размер стопы. У человека центр тяжести находится довольно высоко. И  наша стопа не предназначена для статической устойчивости всей конструкции. Если сделать робота с пропорциями человека, то без движения он упадет. Мы постоянно поддерживаем равновесие своего тела за счет небольших движений, даже если нам кажется, что мы стоим неподвижно, по стойке смирно. И это движение подчинено определенным алгоритмам. Алгоритмы эти настолько сложны, что их исследованием занимаются научные группы ученых в ранге профессоров университетов.

В нашей стране лаборатория гуманоидных роботов МФТИ является единственной, в которой подобные процессы были в какой-то степени реализованы. У нас есть алгоритмы, которые позволяют удерживать робота в равновесии во время ходьбы и удерживать его в равновесии в положении стоя. И мы их постоянно совершенствуем. Хотя задача стоит получить в итоге именно гуманодиного робота, который приближен к человеку как по поведению, так и по форме, мы пока только на пути к этому, и роботы игроки пока больше похожи на человекоподобных инопланетян. Технически и финансово порог входа в мир по-настоящему гуманоидных роботов очень высок.

Финансовая сторона вопроса

Если взять стандартных роботов, то один самый дешевый робот (Nao) обойдется вам в цену от 8000 евро. Для команды вам нужно 6 таких роботов. С дополнительными расходными материалами команда робофутбола в стандартной лиге требует вложений средств от 50 тысяч евро.

Но одних роботов мало - нужна программа. Ее написание – это долгий и трудозатратный процесс. Есть команды, которые пишут и дорабатывают свою программу на протяжении последних десяти лет и более. Выйти и победить с программой, написанной «с нуля» почти невозможно. Из-за этого и родилась традиция, чтобы ведущие команды в лиге позволяли пользоваться новичкам своей программой. Естественно, они отдают свою программу не в полном объеме, убирая те ноу-хау, которые позволяют ведущим командам выигрывать. Но это позволяет новичкам вступать в игру и не тратить десять лет на написание своей программы для роботов. И это работает только для стандартных роботов.

В свободной лиге все иначе. Там вам приходится разрабатывать «с нуля» как конструкцию, так и код. Или применять способ, которым мы воспользовались в 2018 году. Наша команда договорилась с чемпионами мира на протяжении пяти последних лет (французской командой), что они нам продадут четырех своих роботов вместе с ПО. И их мы взяли за отправную точку для своих исследований. Мы внесли довольно много изменений в конструкцию, стараясь при этом не уйти от физических характеристик оригинала. В результате в 21 году наш робот был уже гораздо лучше, чем французский. Стоимость таких роботов уже на порядок выше: 3–4  миллиона рублей за одного робота. Для того, чтобы сформировать команду, нужно 4 таких робота.

Но это еще не все затраты для организации команды. По нашим оценкам нужно вложить еще порядка 30 миллионов рублей. Вам нужно организовать лабораторию. В ней должно быть игровое поле, оборудование для ремонта, штатные сотрудники, которым надо платить зарплату.  Сотрудники будут как следить за работой лаборатории, так и вести разработку роботов. Вам обязательно нужно привлекать студентов, которые будут в этой лаборатории заниматься исследованиями гуманоидных роботов, так как команды в чемпионате играют студенческие.

Но все это окупается за счет результатов, и даже не в части соревнований. Робофутбол – это «непаханое поле» для научных исследований. Поэтому он является интересным направлением для развития в рамках МФТИ. И мы сейчас ведем переговоры с МГУ о сотрудничестве, чтобы на факультете ВМК у них была создана такая же команда. 

Мы очень надеемся, что в 2023 году возникнет вторая команда в стране, и появится как противник для игры, так и партнер для исследований, и готовы всеми силами способствовать этому. В мечтах, конечно же, получить такие команды и лаборатории во всех ведущих университетах страны.

Санкции и роботы

Санкции, увы, повлияли на нас тоже. Мы выше уже упомянули о бойкоте россиян в международных соревнованиях. Но все равно есть различные способы продолжать развиваться даже в текущих реалиях. Есть много производителей компонентов, которые не стали поддаваться на ограничения, введенные некоторыми государствами. Многое из оборудования сейчас производится в Азии, а не в западных странах. Общая тенденция последних лет – появление новых азиатских, а не европейских или американских команд.

Проблемы с комплектующими, конечно, есть: например, сервомоторы, которые мы раньше покупали в Японии, нам отказались продавать. Но сейчас мы разрабатываем уже свои сервомоторы, которые пойдут на замену японским. И этот процесс мы начали как раз где-то в апреле-мае текущего года. Я думаю, что к январю 2023 года у нас уже появятся сервомоторы собственной разработки, которые полностью заменят японские.

Иногда приходится использовать «параллельный импорт» или  просить друзей, чтобы они нам предоставили какие-то компоненты, которые невозможно купить в Азии. Это сейчас единственный способ добыть их каким-то образом из Европы или из Америки.

Немного интересных фактов

Типичное заблуждение о гуманоидной робототехнике состоит в том, что многие считают приоритетной лежащей в ее основе мехатронику. Мехатроника в гуманоидной робототехнике занимает далеко не первое по важности место. Я бы её поставил где-то на шестое место. Самое важное в гуманоидной робототехнике это именно искусственный интеллект. Даже ко мне понимание этого пришло не сразу, а спустя несколько лет работы над гуманоидными роботами. И 90% затрат времени уходит именно на разработку ИИ. Из-за этого возникает проблема показать результат нашей работы. Люди видят непосредственно сам аппарат, видят сервомоторы, видят манипуляторы, но не понимают, что вся эта механика будет просто куклой на управлении, а не гуманоидным роботом, без «мозга».

Еще один интересный факт заключается в том, что сделать непосредственно «робота» нет никаких проблем. Любой инженер, который умеет конструировать некоторую машиностроительную продукцию, имея перед глазами существующую, создаст свою такую же или даже более совершенную конструкцию робота. Но, тем не менее, мы не видим гуманоидных роботов, заполонивших мир. Почему? Потому, что на самом деле дальше возникает вопрос, а как этот робот будет двигаться и взаимодействовать с миром. Например, для ходьбы нужен специальный алгоритм –«движок ходьбы». Работающих реализованных движков ходьбы очень мало, и большая их часть в закрытом, защищенном патентами, доступе. Да, есть открытые решения, но они также требуют много сил для их применения именно в вашем роботе.

Робофутбол это одна из ниш робототехники, которая стремится приблизить эпоху гуманоидных роботов и создать научное сообщество, казалось бы, вокруг ненаучной популярной игры. Мы в РобоУнивер, в свою очередь, готовы научить основам робототехники и программирования, чтобы уже ваши дети впоследствии стали конструкторами гуманоидных роботов. Также вы можете написать вопросы к Азеру в комментариях. Мы постараемся передать их ему и опубликовать ответы или пригласим его самого ответить вам лично.