据外媒报道，麻省理工学院（MIT）的工程师们开发出一款功能强大、轻巧的机器人乒乓球机器人，能够高速精准地回击球。

图片来源：MIT

这款新型乒乓球机器人包含一个多关节机械臂，固定在乒乓球桌的一端，并配备标准乒乓球拍。在多个高速摄像头和高带宽预测控制系统的辅助下，该机器人能够快速估算来球的速度和轨迹，并执行多种挥拍方式——弧圈球、抽球或削球——将球精准地击打到桌上的目标位置，并带来各种旋转。

在测试中，工程师们从乒乓球桌对面向机器人连续投掷了150个球。机器人成功地回击了所有三种挥拍方式的球，命中率高达88%左右。机器人的击球速度接近人类球员的最高回击速度，并且比其他乒乓球机器人的设计速度更快。

现在，该团队正在努力增加机器人的比赛半径，以便它能够回击更多种类的球。他们设想，这样一来，该装置就能在日益发展的智能机器人训练系统领域成为强有力的竞争对手。

除了比赛之外，该团队表示，这项乒乓球技术还可以用于提高人形机器人的速度和响应能力，尤其是在搜救场景以及机器人需要快速反应或预测的情况下。

麻省理工学院研究生David Nguyen表示：“我们正在解决的问题，特别是如何快速精准地拦截物体，在机器人需要执行动态机动并实时规划其末端执行器与物体接触位置的场景中，可能会非常有用。”

Nguyen与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共同参与了这项新研究。相关研究结果论文发表在arXiv预印本服务器上。

精准比赛

自20世纪80年代以来，研发乒乓球机器人一直是研究人员面临的挑战。这项挑战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。

“如果思考机器人控制问题的范围，我们会发现，一方面是操控，它通常速度缓慢且非常精确，例如拾起物体并确保牢牢抓住。另一方面是运动，它要求机器人保持动态响应并适应系统扰动，”Nguyen解释道。“乒乓球介于两者之间。你仍然需要操控，击球必须精准，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Omron和谷歌DeepMind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、精度高，足以与水平中等的人类选手较量。“这些是真正意义上的乒乓球专用机器人，”Cancio说道。“我们正在探索如何将乒乓球运动中的技术转化为更通用的系统，比如能够执行各种实用操作的人形机器人或拟人机器人。”

游戏控制

为了实现这项新设计，研究人员改进Ki实验室开发的轻型高功率机械臂。该机械臂是麻省理工学院人形机器人（MIT Humanoid）的一部分。人形机器人是一个双足双臂机器人，体型与幼儿相仿。研究小组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，目标是有朝一日将此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，即四个自由度，每个自由度由一个电动机控制。Cancio、Nguyen和Kim还制造了一个类似的机械臂，他们通过在手腕上增加一个自由度来控制球拍，使其能够用于乒乓球运动。

该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击球：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施这些算法，这些计算机同时处理摄像机图像，估算球的实时状态，并将这些估算结果转化为指令，使机器人的电机能够快速反应并进行挥拍。

在连续用机械臂弹跳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%，抽球87.5%。此后，他们调整了机器人的反应时间，发现该机械臂击球速度比现有系统更快，可达每秒20米。

在论文中，该团队报告称，机器人的击球速度（即球拍击中球的速度）平均为每秒11米。据了解，高级人类球员的回球速度在每秒21至25米之间。在记录初步实验结果后，研究人员进一步调整了系统，记录到的击球速度高达每秒19米（约每小时42英里）。

“这个项目的目标之一是让我们的运动能力达到与人类相当的水平，”Nguyen说道。“就击球速度而言，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，不仅可以预测击球方式，还可以预测击球位置。在最新版本的系统中，研究人员可以在球桌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，该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。

“乒乓球运动的一大关键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，”Cancio说道。“这样的机器人可以模仿对手在比赛环境中的动作，从而帮助人类选手提高水平。”