眨眼、预测、扣杀：麻省理工学院制作出击球速度19米/秒的乒乓球机器人

延时摄影显示，一个新型乒乓球机器人正在击出上旋球。该机器人能够快速估算来球的速度和轨迹，并精准地将其击打到球台上的指定位置。图片来源：研究人员

该系统的核心是一个安装在标准乒乓球桌一端的多关节机械臂。机械臂握着普通的球拍，利用高速摄像头网络和先进的预测控制系统来追踪来球。然后，它会从几种挥拍方式中选择一种——例如上旋弧圈球、直线抽球或高难度的下旋削球——将球精准地送入目标位置，并产生恰到好处的旋转。

在实际测试中，工程师们快速连续地向机器人投掷了150个球。该机器人在所有挥拍方式中都能成功回球近88%。它的击球速度甚至可以与顶级人类选手相媲美，并且超越了之前的机器人乒乓球系统。

“我们正在利用我们的机器人探索如何将乒乓球运动的技巧转化为更通用的系统，比如能够做很多不同实用事情的人形机器人或拟人机器人，”肯德里克·坎西奥（右）与合著者大卫·阮合影时说道。图片来源：麻省理工学院詹妮弗·楚

麻省理工学院的研究团队目前正在努力扩大机器人的攻击范围，使其能够从更广阔的区域回击更多类型的球。他们相信，该系统可以成为智能机器人训练和模拟的强大工具。

除了乒乓球之外，同样的技术还可以帮助提升人形机器人的敏捷性和响应能力。应用范围可能包括搜救任务，或任何需要快速实时反应的环境。

麻省理工学院研究生 David Nguyen 表示：“我们正在解决的问题，特别是与快速准确地拦截物体有关的问题，在机器人必须执行动态机动并实时规划其末端执行器与物体相遇位置的场景中可能会很有用。”

Nguyen是这项新研究的共同作者，其他作者包括麻省理工学院研究生Kendrick Cancio，以及机械工程副教授兼麻省理工学院仿生机器人实验室负责人Sangbae Kim 。研究人员将于本月在IEEE国际机器人与自动化会议（ICRA）上发表论文，展示这些实验的结果。

团队将机械臂固定在标准乒乓球桌一端的桌子上，并在桌子周围设置了高速运动捕捉摄像机，用于追踪弹向机器人的球。图中，机器人完成了一个下旋。图片来源：研究人员供图

制造乒乓球机器人是研究人员自 20 世纪 80 年代以来一直面临的挑战。这一课题需要多种技术的独特组合，包括高速机器视觉、快速灵活的电机和执行器、精确的机械手控制、精准的实时预测以及更高层次的比赛策略规划。

“如果你思考机器人控制问题的范畴，我们会发现，一方面是操控，这种操控通常缓慢且非常精确，例如拾起一个物体并确保牢牢抓住它。另一方面是运动，这种操控需要动态适应系统中的扰动，”阮解释说，“乒乓球介于两者之间。你仍然需要操控，因为你必须精准地击球，但必须在300毫秒内击中。因此，它平衡了动态运动和精准操控这两个类似的问题。”

自20世纪80年代以来，乒乓球机器人取得了长足的进步，最近由欧姆龙和GoogleDeepMind联合设计的机器人运用人工智能技术，从以往的乒乓球数据中“学习”，从而提升机器人在应对日益多样化的击球和击球时的表现。这些设计已被证明速度快、精准度高，足以与中级水平的人类选手较量。

“这些都是专门为打乒乓球而设计的机器人，”坎西奥说。“通过我们的机器人，我们正在探索如何将乒乓球运动的技术转化为更通用的系统，比如一个可以做很多不同、有用事情的人形机器人或拟人机器人。”

为了完成这项新设计，研究人员对金正恩实验室开发的轻型高功率机械臂进行了改进。该机械臂是麻省理工学院人形机器人（MIT Humanoid）的一部分。人形机器人是一款双足双臂机器人，体型与幼儿差不多。该团队正在使用该机器人测试各种动态动作，包括在崎岖不平和变化多端的地形上行走，以及跳跃、奔跑和后空翻，目标是有朝一日将这类机器人用于搜救行动。

人形机器人的每条手臂都有四个关节，也就是四个自由度，每个关节都由一个电动机控制。坎西奥、阮和金也制作了一个类似的机械臂，他们将其改造成乒乓球机械臂，在手腕上增加了一个自由度，以便控制球拍。

研究团队将机械臂固定在标准乒乓球桌一端的桌子上，并在桌子周围设置了高速动作捕捉摄像机，用于追踪弹向机器人的球。他们还开发了最优控制算法，基于数学和物理原理，预测机械臂应以何种速度和球拍方向击打来球，并以特定的挥拍方式进行：弧圈球（或上旋球）、直击球（或直线球）或削球（或下旋球）。

他们使用三台计算机实现了这些算法，这些计算机同时处理摄像机图像，估计球的实时状态，并将这些估计转化为命令，让机器人的马达快速做出反应并挥动球。

在连续用机械臂击打150个球后，他们发现机器人的击球率（即回球的准确率）在三种挥拍方式下大致相同：弧圈球88.4%，削球89.2%，爆冲87.5%。之后，他们调整了机器人的反应时间，发现机械臂击球速度比现有系统更快，达到每秒20米。

研究团队在论文中报告称，机器人的击球速度（即球拍击打球的速度）平均为每秒11米。据了解，高水平的人类球员回球速度可达每秒21到25米。在记录初步实验结果后，研究人员进一步调整了系统，记录到的击球速度最高可达每秒19米（约每小时42英里）。

“这个项目的目标之一是，我们能够达到人类的运动能力水平，”Nguyen说道，“就打击速度而言，我们已经非常非常接近了。”

他们的后续工作也使机器人具备了瞄准能力。团队将控制算法融入到系统中，不仅可以预测如何击打来球，还可以预测击球的位置。在最新版本中，研究人员可以在桌面上设定一个目标位置，然后机器人就会将球击向该位置。

由于固定在球台上，机器人的移动性和触及范围有限，主要只能回击落在球台中线附近月牙形区域内的球。未来，工程师们计划将机器人安装在龙门架或轮式平台上，使其能够覆盖更大的球台区域，并回击更多种类的球。

“乒乓球运动的一大亮点在于，根据对手的击球方式预测球的旋转和轨迹，而自动发球器无法提供这些信息，”坎西奥说道。“这样的机器人可以模仿对手在比赛环境中的动作，从而帮助人类更好地比赛和提高水平。”

编译自/ScitechDaily