Inżynierowie MIT wchodzą w robotyczną grę Ping Pong z potężnym, lekkim designem, który zwraca ujęcia z dużą precyzją.
Nowy bot tenisowy stołowy zawiera wielostronne ramię robotyczne, które jest ustalone na jeden koniec stołu ping ponga i ma standardową wiosło ping ponga. Wspomagany przez kilka szybkich kamer i systemem kontroli predykcyjnej o dużej przepustowości, robot szybko szacuje prędkość i trajektorię przychodzącej piłki i wykonuje jeden z kilku rodzajów huśtawki-pętla, jazda lub kotła-aby dokładnie uderzyć piłkę w pożądaną lokalizację na stole z różnymi rodzajami spinu.
W testach inżynierowie rzucili 150 piłek w robota, jeden po drugim, z przez stół ping ponga. Bot z powodzeniem zwrócił piłki z szybkością trafienia wynoszącą około 88 procent we wszystkich trzech typach huśtawki. Prędkość uderzenia robota zbliża się do najwyższej prędkości powrotu ludzkich graczy i jest szybsza niż w innych robotycznych projektach tenisowych.
Teraz zespół chce zwiększyć promień gry robota, aby mógł zwrócić szerszą różnorodność strzałów. Następnie wyobrażają sobie, że konfiguracja może być opłacalnym konkurentem w rozwijającej się dziedzinie inteligentnych robotycznych systemów szkoleniowych.
Oprócz gry zespół twierdzi, że technologia tenisowa stołowa może zostać dostosowana do poprawy szybkości i reakcji robotów humanoidalnych, szczególnie w przypadku scenariuszy wyszukiwania i ratownictwa oraz sytuacji, w których robot musiałby szybko zareagować lub przewidzieć.
„Problemy, które rozwiązujemy, szczególnie związane z przechwyceniem obiektów naprawdę szybko i dokładnie, mogą potencjalnie być przydatne w scenariuszach, w których robot musi przeprowadzić dynamiczne manewry i planować, w którym jego efektor końcowy spotka przedmiot, w czasie rzeczywistym”-mówi absolwent MIT David Nguyen.
Nguyen jest współautorem nowego badania, wraz z absolwentem MIT Kendrickiem Cancio i Sangbae Kim, profesorem inżynierii mechanicznej i szefem MIT Biomimetics Robotics Lab. Naukowcy przedstawią wyniki tych eksperymentów w artykule na Międzynarodowej Konferencji IEEE na temat robotyki i automatyzacji (ICRA) w tym miesiącu.
Precyzyjna gra
Budowanie robotów do gry w Ping Pong jest wyzwaniem, które naukowcy podjęli od lat 80. Problem wymaga unikalnej kombinacji technologii, w tym szybkiej wizji maszynowej, szybkich i zwinnych silników i siłowników, precyzyjnej kontroli manipulatora oraz dokładnej przewidywania w czasie rzeczywistym, a także planowania strategii gry.
„Jeśli myślisz o spektrum problemów kontrolnych w robotyce, mamy na jednej manipulacji końcowej, która jest zwykle powolna i bardzo precyzyjna, na przykład zbieranie obiektu i upewnienie się, że chwytasz go dobrze. Z drugiej strony masz lokomocję, która polega na dynamice i dostosowaniu się do zaburzeń w swoim systemie”, nguyen. „Ping Pong siedzi pomiędzy nimi. Wciąż przeprowadzasz manipulację, ponieważ musisz być precyzyjny w uderzeniu w piłkę, ale musisz uderzyć ją w ciągu 300 milisekund. Zrównoważy podobne problemy dynamicznej lokomocji i precyzyjnej manipulacji”.
Roboty Ping Pong przeszły długą drogę od lat 80., ostatnio z projektami Omrona i Google Deepmind, które wykorzystują techniki sztucznej inteligencji, aby „uczyć się” z poprzednich danych Ping Pong, aby poprawić wydajność robota w stosunku do rosnącej różnorodności pociągnięć i ujęć. Wykazano, że te projekty są szybkie i precyzyjne, aby zebrać się z pośrednimi ludzkimi graczami.
„Są to naprawdę wyspecjalizowane roboty zaprojektowane do gry w Ping Pong” – mówi Cancio. „Dzięki naszemu robotowi badamy, w jaki sposób techniki stosowane w graniu Ping Pong mogą przełożyć się na bardziej uogólniony system, taki jak robot humanoidalny lub antropomorficzny, który może wykonywać wiele różnych, przydatnych rzeczy”.
Kontrola gry
Ze względu na swój nowy projekt naukowcy zmodyfikowali lekkie, robotyczne ramię o dużej mocy, które Kim's Labor opracował w ramach MIT Humanoid-dwunożnego, dwupęziennego robota, który jest mniej więcej wielkości małego dziecka. Grupa używa robota do testowania różnych dynamicznych manewrów, w tym nawigacji w nierównym i różnym terenie, a także skakaniu, biegania i wykonywania backflipów, w celu pewnego dnia wdrażania takich robotów do operacji wyszukiwania i ratownictwa.
Każde ramiona Humanoidów ma cztery stawy lub stopnie swobody, z których każdy jest kontrolowany przez silnik elektryczny. Cancio, Nguyen i Kim zbudowali podobne ramię robotyczne, które przystosowali do Ping Pong, dodając dodatkowy stopień swobody w nadgarstku, aby umożliwić kontrolę wiosła.
Zespół ustalił robotyczne ramię na stole na jednym końcu standardowego stołu Ping Pong i założył szybkie kamery do przechwytywania ruchu wokół stołu, aby śledzić kulki, które są odbijane w robotu. Opracowali również optymalne algorytmy kontrolne, które przewidują, w oparciu o zasady matematyki i fizyki, jaką prędkość i orientacja na wiosłowanie ramię powinno wykonać, aby uderzyć w piłkę przychodzącą z określonym rodzajem huśtawki: pętli (lub topspin), napędu (prosto) lub Chop (Backspin).
Wdrożyli algorytmy przy użyciu trzech komputerów, które jednocześnie przetwarzały obrazy aparatu, oszacowali stan w czasie rzeczywistym, i przetłumaczyli te szacunki na polecenia silników robota, aby szybko reagować i dokonać huśtawki.
Po kolejnym podskakiwaniu 150 piłek w ramieniu znaleźli wskaźnik trafień robota lub dokładność zwrotu piłki, była mniej więcej taka sama dla wszystkich trzech rodzajów huśtawek: 88,4 procent dla strajków pętli, 89,2 procent dla kotletów i 87,5 procent dla dysków. Od tego czasu dostroili czas reakcji robota i znaleźli ramię uderzyły piłki szybciej niż istniejące systemy, na prędkości 20 metrów na sekundę.
W swoim artykule zespół informuje, że prędkość uderzenia robota lub prędkość, z jaką wiosło uderza w piłkę, wynosi średnio 11 metrów na sekundę. Zaawansowani ludzcy gracze zwracają piłki z prędkością od 21 do 25 metrów sekundy. Od czasu zapisania wyników swoich początkowych eksperymentów naukowcy dodatkowo ulepszyli system i zarejestrowali prędkości uderzenia do 19 metrów na sekundę (około 42 mil na godzinę).
„Niektóre cele tego projektu jest stwierdzenie, że możemy osiągnąć ten sam poziom atletyzmu, który mają ludzie” – mówi Nguyen. „Pod względem prędkości uderzenia zbliżamy się naprawdę, bardzo blisko”.
Ich dalsze prace umożliwiły także celowanie robota. Zespół włączył algorytmy kontrolne do systemu, który przewiduje nie tylko sposób, w jaki uderzyć przychodzącą piłkę. Dzięki swojej najnowszej iteracji naukowcy mogą ustawić docelową lokalizację na stole, a robot uderzy piłkę w to samo miejsce.
Ponieważ jest on przymocowany do stołu, robot ma ograniczoną mobilność i zasięg, i może głównie zwrócić piłki, które docierają do obszaru w kształcie półksiężyca wokół linii środkowej stołu. W przyszłości inżynierowie planują sfałszować bota na porce lub platformie kołowej, umożliwiając mu pokrycie większej liczby stolików i zwrócenie szerszej gamy strzałów.
„Dużą rzeczą w tenisie stołowym jest przewidywanie spinu i trajektorii piłki, biorąc pod uwagę, jak uderzył ją przeciwnik, co jest informacją, której automatyczny wyrzutnia piłki nie da ci” – mówi Cancio. „Taki robot może naśladować manewry, które przeciwnik zrobiłby w środowisku gry, w sposób, który pomaga ludziom grać i poprawić”.
Badania te są częściowo wspierane przez Robotics i AI Institute.