Новый робот для настольного тенниса состоит из многосуставной роботизированной руки, которая крепится к одному концу стола для пинг-понга и управляет стандартной ракеткой для пинг-понга. С помощью нескольких высокоскоростных камер и широкополосной системы прогнозирующего управления робот быстро оценивает скорость и траекторию летящего мяча и выполняет один из нескольких типов замаха - петлю, привод или отбой - чтобы точно нанести удар по мячу в нужное место на столе с различными типами вращения..

В ходе испытаний инженеры забросили в робота 150 мячей, один за другим, с другого конца стола для пинг-понга. Бот успешно отбил мячи с вероятностью попадания около 88 процентов по всем трем типам замаха. Скорость удара робота приближается к максимальной скорости возврата игроков-людей и выше, чем у других моделей роботов для настольного тенниса.

Теперь команда стремится увеличить радиус действия робота, чтобы он мог наносить более широкий спектр ударов. Затем они предполагают, что установка могла бы стать жизнеспособным конкурентом в растущей области интеллектуальных роботизированных обучающих систем.

Помимо игры, команда говорит, что технология настольного тенниса может быть адаптирована для повышения скорости и отзывчивости человекоподобных роботов, особенно для поисково-спасательных сценариев и ситуаций, в которых роботу потребуется быстро реагировать или предвидеть.

"Проблемы, которые мы решаем, в частности, связанные с действительно быстрым и точным перехватом объектов, потенциально могут быть полезны в сценариях, где робот должен выполнять динамические маневры и планировать, где его конечный эффектор встретится с объектом, в режиме реального времени", - говорит аспирант Массачусетского технологического института Дэвид Нгуен.

Нгуен является соавтором нового исследования вместе с аспирантом Массачусетского технологического института Кендриком Кансио и Сангбэ Кимом, адъюнкт-профессором машиностроения и руководителем лаборатории биомиметической робототехники Массачусетского технологического института. Исследователи представят результаты этих экспериментов в статье на Международной конференции IEEE по робототехнике и автоматизации (ICRA) в этом месяце.

Точная игра

Создание роботов для игры в пинг-понг - задача, которой исследователи занимаются с 1980-х годов. Решение проблемы требует уникального сочетания технологий, включая высокоскоростное машинное зрение, быстрые и маневренные двигатели и приводы, точное управление манипуляторами и точное прогнозирование в режиме реального времени, а также планирование стратегии игры на более высоком уровне.

"Если вы подумаете о спектре проблем управления в робототехнике, то на одном конце у нас есть манипуляция, которая обычно медленная и очень точная, например, взять предмет и убедиться, что вы хорошо его держите. С другой стороны, у вас есть локомоция, которая заключается в том, чтобы быть динамичной и адаптироваться к возмущениям в вашей системе", - объясняет Нгуен. - Пинг-понг находится между ними. Вы все еще выполняете манипуляции, в том смысле, что вы должны быть точны при ударе по мячу, но вы должны ударить по нему в течение 300 миллисекунд. Таким образом, это уравновешивает аналогичные проблемы динамического передвижения и точного манипулирования".

Роботы для пинг-понга прошли долгий путь с 1980-х годов, совсем недавно появились разработки Omron и Google DeepMind, которые используют методы искусственного интеллекта для "обучения" на основе предыдущих данных для игры в пинг-понг, чтобы улучшить производительность робота при растущем разнообразии ударов. Было показано, что эти конструкции достаточно быстры и точны, чтобы объединяться с игроками среднего уровня.

"Это действительно специализированные роботы, предназначенные для игры в пинг-понг", - говорит Кансио. "С помощью нашего робота мы исследуем, как методы, используемые при игре в пинг-понг, могут быть преобразованы в более обобщенную систему, такую как гуманоидный или антропоморфный робот, который может делать множество различных полезных вещей".

Управление игрой

Для своего нового дизайна исследователи модифицировали легкую, мощную роботизированную руку, которую лаборатория Кима разработала в рамках проекта MIT Humanoid - двуногого робота с двумя руками размером примерно с маленького ребенка. Группа использует робота для тестирования различных динамических маневров, включая передвижение по неровной и изменяющейся местности, а также прыжки, бег и сальто назад, с целью однажды использовать таких роботов для поисково-спасательных операций.

Каждая из рук гуманоида имеет четыре сустава, или степени свободы, каждая из которых управляется электрическим двигателем. Кансио, Нгуен и Ким создали аналогичную роботизированную руку, которую они адаптировали для игры в пинг-понг, добавив дополнительную степень свободы запястью, чтобы можно было управлять веслом.

Команда прикрепила роботизированную руку к столу на одном конце стандартного стола для пинг-понга и установила высокоскоростные камеры захвата движения вокруг стола, чтобы отслеживать мячи, которые отскакивают от робота. Они также разработали алгоритмы оптимального управления, которые предсказывают, основываясь на принципах математики и физики, какую скорость и ориентацию лопатки должна выполнять рука, чтобы отбить летящий мяч с определенным типом замаха: петля (или верхнее вращение), привод (прямой удар) или отбой (обратное вращение).

Они реализовали алгоритмы с использованием трех компьютеров, которые одновременно обрабатывали изображения с камер, оценивали состояние мяча в режиме реального времени и переводили эти оценки в команды двигателям робота для быстрой реакции и выполнения удара.

После последовательного подбрасывания 150 мячей в руку они обнаружили, что скорость попадания робота, или точность возврата мяча, была примерно одинаковой для всех трех типов замах: 88,4 процента для ударов по кругу, 89,2 процента для отбивных и 87,5 процента для приводов. С тех пор они настроили время реакции робота и обнаружили, что рука бьет по мячам быстрее, чем существующие системы, со скоростью 20 метров в секунду.

В своей статье команда сообщает, что скорость удара робота, или скорость, с которой весло ударяет по мячу, составляет в среднем 11 метров в секунду. Известно, что продвинутые игроки-люди отбивают мячи со скоростью от 21 до 25 метров в секунду. После публикации результатов своих первоначальных экспериментов исследователи еще больше доработали систему и зафиксировали скорость удара до 19 метров в секунду (около 42 миль в час).

"Отчасти цель этого проекта состоит в том, чтобы сказать, что мы можем достичь того же уровня атлетизма, что и люди", - говорит Нгуен. "И с точки зрения скорости удара мы становимся очень, очень близки".

Их последующая работа также позволила роботу прицелиться. Команда внедрила в систему управляющие алгоритмы, которые предсказывают не только как, но и куда ударить по летящему мячу. С его последней итерацией исследователи могут установить целевое местоположение на столе, и робот отправит мяч в это же место.

Поскольку робот прикреплен к столу, его мобильность и досягаемость ограничены, и он в основном может возвращать мячи, которые попадают в область в форме полумесяца вокруг средней линии стола. В будущем инженеры планируют установить робота на портальную или колесную платформу, что позволит ему охватывать большую часть стола и делать более разнообразные снимки.

"Главное в настольном теннисе - предсказать вращение и траекторию полета мяча, учитывая, как по нему ударил ваш противник, а это информация, которую вам не даст автоматическая пусковая установка", - говорит Кансио. "Подобный робот мог бы имитировать маневры, которые выполнял бы противник в игровой среде, таким образом, чтобы помочь людям играть и совершенствоваться".

Это исследование частично поддерживается Институтом робототехники и искусственного интеллекта.