В 2050 году роботы победят чемпионов мира по футболу. Это не сценарий фантастического фильма, а цель, поставленная сообществом RoboCup. Этот международный проект объединяет лучших инженеров, программистов и ученых в области робототехники. Но прежде чем роботы смогут сыграть против людей, им предстоит преодолеть множество вызовов, связанных с конструкцией, автономностью и эффективным взаимодействием.
Одним из ключевых этапов на пути к этой цели стала лига роботов-гуманоидов — категория в соревнованиях RoboCup, где команды разрабатывают роботов, максимально приближенных по возможностям и параметрам к человеку. Здесь инженеры создают не только программное управление, но и всю аппаратную часть робофутболистов.
Как создаются эти уникальные машины, что помогает им двигаться, принимать решения и играть автономно, а также что происходит за кулисами мировых соревнований по робофутболу, рассказали участники команды Starkit и студенты МФТИ. В 2021 году команда стала чемпионом мира по робофутболу в лиге Humanoid KidSize на соревнованиях RoboCup.
Немного фактов о роботах-гуманоидах
История RoboCup началась в 1996 году с первого турнира, где соревновались роботы-собаки. Эти устройства, напоминавшие игрушки, были далеки от участников реальных спортивных состязаний, но заложили основу для создания робофутбола как исследовательской платформы. В начале 2000-х годов появилась Standard Platform League, где игроками выступали однотипные роботы NAO. Более подробно про историю создания робофутбола и стандартную лигу мы уже писали.
Исследователи, участвующие в RoboCup, стремились к более сложным задачам и в 2002 году создали Humanoid League — лигу человекоподобных роботов. В ней команды создают полностью кастомных роботов с нуля, включая разработку аппаратной части и программного обеспечения. Здесь действуют строгие ограничения: например, на размер стопы, высоту робота, расположение центра тяжести и количество используемых датчиков.
Ограничения в параметрах роботов введены для честной конкуренции. Например, если стопа будет слишком большой, роботу будет проще сохранять равновесие, что дает команде преимущество. Перед началом каждого соревнования параметры роботов тщательно измеряются, включая положение центра массы, который должен быть максимально близок к человеческому.
Первые годы лиги были временем экспериментов. Роботы часто падали, сталкивались друг с другом, с трудом определяли положение мяча. Постепенно команды начали внедрять более эффективные алгоритмы для стабилизации ходьбы, обработки изображений и планирования действий. Например, появились системы динамической балансировки, позволяющие роботам быстрее восстанавливаться после падений.
Важным шагом стало использование легких и прочных материалов, таких как карбон, для уменьшения массы роботов. Прочные материалы часто превышает требования по весу, поэтому лишние элементы удаляются. Так, в ногах роботов сделаны отверстия, чтобы уменьшить вес конструкции. Это важно и для подвижности робота, которая напрямую зависит от его массы. При этом тяжелые моторы остаются ключевым элементом конструкции.
У команд также есть возможность выбирать цветовые элементы, чтобы отличаться на поле (синий или красный). Например, участники могут использовать защитные пластины, окрашенные в нужный цвет. Важно, чтобы они занимали определенный процент поверхности робота.
Как происходит игра
Во время игры роботы играют полностью автономно. Матч состоит из двух таймов по 10 минут. На поле выходят четыре робота от каждой команды. Их распределение по ролям (вратарь, защитник, нападающий) зависит от стратегии. Все роботы идентичны по конструкции и программному обеспечению. Роли присваиваются перед игрой, исходя из состояния роботов: самые надежные назначаются нападающими, а, например, пострадавшие при транспортировке остаются в запасе.
Роботы обмениваются информацией через Wi-Fi-сеть, к которой подключены все участники матча. Взаимодействие включает обмен данными о местоположении мяча, партнеров и противников. Объем сообщений минимален, чтобы не перегружать сеть, а их небольшой вес (100—200 байт) исключает вероятность возникновения проблем с производительностью.
Для управления используется общий гейм-контроллер, адаптированный под специфику лиги. Это устройство синхронизирует действия всех участников игры и обеспечивает стабильное взаимодействие между командами.
Одной из самых сложных технических задач для гуманоидных роботов является вертикализация — способность подниматься после падения и сохранять устойчивость при ходьбе. Подняться после падения роботу сложно, а если он не встает в течение установленного времени, его удаляют с поля. Проблема напрямую связана с надежностью Гуманоидные роботы оснащены только «человеческими» датчиками, чтобы максимально приблизить их возможности к биологическим аналогам. Среди них — камера для «зрения», датчики давления на ногах, которые помогают роботу ориентироваться в пространстве, и гироскопическая плата, известная как IMU (инерциальный измерительный блок). IMU — это небольшой электронный модуль, который отвечает за анализ наклонов и вращений робота. В его основе лежит Rhoban, и с тех пор аппаратная часть устройства менялась несильно. Французская команда в лиге выделяется благодаря многолетнему опыту и сильной научной базе. Они начали разработки еще в 2010 году, и это позволило достичь им высокого уровня программного и аппаратного обеспечения. С 2019 года корпуса роботов Starkit стали изготавливать из карбона — материала, который легче и прочнее. Также появились тестовые модели с двигателями российского производства. Сейчас в лаборатории мы работаем над новым двигателем для ходьбы. Его задача — оптимизация движения центра массы робота и применение новых моделей из теории управления. При этом учитываются индивидуальные особенности конструкции каждого робота. Кроме того, команда активно исправляет устаревшие решения, оставшиеся в коде от французского проекта. Быстро набрала популярность в робофутболе команда RoMeLa из Лос-Анджелеса, разработав новые, более динамичные конструкции ног для роботов. Так они обошли давних фаворитов. Однако такие прорывы скорее исключение, так как в большинстве случаев успех команд зависит от долгосрочных инвестиций в разработку и опыт. Тренировки для роботов направлены на улучшение стратегий, которые реализуются в программном коде. В лаборатории создано полноценное поле, позволяющее имитировать реальный матч. На практике участники команды сравнивают старые и новые алгоритмы (пайплайны), чтобы понять, какой из них более эффективен. В таких играх участвуют шесть роботов (три на три). Новые функции добавляют только после тщательной проверки их эффективности. Подготовка гуманоидных роботов к соревнованиям требует серьезной работы. Перед началом матчей команды проверяют функциональность зрения робота: насколько хорошо он распознает мяч, ориентируется на поле и определяет свое местоположение. Также проводится тестирование механических функций, таких как удары по мячу, и проверка подключения к гейм-контроллеру. Для этих задач отводится специальный день соревнований — сетап-день. Так команды могут настроить оборудование в условиях освещения конкретной площадки и протестировать свои стратегии на поле. Одной из особенностей соревнований по робофутболу считается открытость. Чемпионы мира выкладывают свой код и документацию (чемпион-пейпер) в открытый доступ. Это позволяет другим командам изучать и адаптировать решения. Однако со временем код устаревает, и его успешная реализация требует значительных усилий и доработок. Николай Кузнецов, участник команды Starkit: Несмотря на соревновательный дух, в сообществе участников турниров по робофутболу царит атмосфера сотрудничества. Например, как-то японская команда, будучи нашим соперником, попросила нас заклеить защиту одного из роботов черной лентой, так как сенсоры их роботов ошибочно детектировали этот элемент как разметку поля. Мы согласились, хотя эта их недоработка привела бы нас к легкой победе. Команды в лиге активно обмениваются опытом и помогают друг другу. Например, во время одного из чемпионатов российская команда помогала соперникам настроить сервомоторы. Обмен знаниями и технологиями остается важным элементом стратегии, способствующим развитию всей Humanoid League. Сегодня технологии, разработанные в лиге, находят применение за пределами спорта: в медицине, логистике и на опасных для человека производствах (в шахтах и химических лабораториях). Лига продолжает развиваться, предоставляя ученым и инженерам возможность тестировать свои идеи и приближать будущее, где роботы станут полноценной частью нашего мира. Humanoid League — это не просто соревнование, а площадка для испытания инженерных идей и решений. Ограничения, наложенные на конструкции роботов, побуждают команды искать нестандартные пути достижения цели — приблизить движения и возможности машин к человеческим. 
И другие технические сложности
Как тренируются гуманоидные роботы
