乒乓球机器人能以高速精准回击球

这款新型乒乓球机器人包含一个多关节机械臂，固定于乒乓球台一端，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，机器人能快速估算来球的速度和轨迹，并执行多种挥拍动作——弧圈球、抽球或削球——以不同旋转方式将球精确击至球台指定位置。

在测试中，工程师从球台对侧连续向机器人抛出150个球。该机器人成功回击所有三种挥拍类型的球，总体命中率约达88%。其击球速度接近人类选手的最高回球速度，且快于其他乒乓球机器人设计。

目前，该团队正致力于扩大机器人的击球覆盖范围，使其能应对更丰富的回球路线。他们预见这套系统有望在智能机器人训练系统这一新兴领域成为有力竞争者。

团队表示，除竞技用途外，该乒乓球技术可适配于人形机器人，提升其速度与响应能力，尤其适用于搜救场景及需快速反应或预判的场合。

"我们解决的核心问题——特别是关于快速精准拦截物体——对需要实时执行动态机动、规划末端执行器与物体交互轨迹的机器人应用具有潜在价值，"麻省理工学院研究生David Nguyen指出。

Nguyen与麻省理工学院研究生Kendrick Cancio及机械工程系副教授、MIT仿生机器人实验室主任Sangbae Kim共同完成了这项新研究。研究人员将于本月在IEEE机器人与自动化国际会议（ICRA）上以论文形式发布实验结果。

精确击球

自1980年代起，研究人员便致力于研发乒乓球机器人。该挑战需要融合多种技术：高速机器视觉、敏捷电机与执行器、精确机械臂控制、实时预测算法以及高层级战术规划。

"机器人控制问题可视为一个谱系：一端是通常缓慢而精密的操作任务，如抓取物体确保稳固；另一端是强调动态适应与系统抗扰的移动控制，"Nguyen阐释道，"乒乓球恰处其间——虽属操作范畴需精准击球，但须在300毫秒内完成。因此它融合了动态移动与精确操作的复合问题。"

自1980年代以来，乒乓球机器人技术已取得长足进步。近期欧姆龙与谷歌DeepMind的设计运用人工智能技术，通过历史数据"学习"以提升应对多样化击球的能力。这些设计已证明可与中级人类选手持续对攻。

"这些是专为乒乓球设计的特化机器人，"Cancio表示，"我们的研究旨在探索乒乓球技术如何迁移至通用系统，例如能执行多种实用任务的人形机器人。"

竞技控制

在新设计中，研究人员基于Kim实验室为MIT人形机器人开发的轻量高功率机械臂进行改造。该双足双臂机器人约等同儿童体型，现用于测试包括崎岖地形行进、跳跃、奔跑及后空翻在内的动态机动，目标是为搜救行动部署此类机器人。

人形机器人每只手臂拥有四个关节（即自由度），各由电机独立控制。Cancio、Nguyen与Kim构建了类似机械臂，通过增加腕部自由度适配乒乓球拍控制。

团队将机械臂固定于标准球台一端，在球台周围架设高速动作捕捉摄像头追踪来球。他们开发的最优控制算法基于数学与物理原理，预测机械臂执行特定挥拍动作（弧圈球/上旋、抽球/平击、削球/下旋）所需的速度与拍面角度。

算法通过三台计算机协同实现：同步处理摄像机图像、估算球体实时状态，并将数据转化为电机指令使机器人快速响应挥拍。

连续弹射150球后，机器人三种挥拍的回球命中率基本持平：弧圈球88.4%、削球89.2%、抽球87.5%。经后续优化，机械臂击球速度达20米/秒，超越现有系统。论文数据显示机器人平均击球速度为11米/秒（人类高手回球速度为21-25米/秒）。初版实验后，团队进一步优化系统，录得最高击球速度达19米/秒（约42英里/小时）。

"项目目标之一是达到人类的运动水平，"Nguyen表示，"在击球速度方面，我们真的非常接近了。"

后续工作使机器人具备瞄准能力。团队在系统中集成可预测击球落点的控制算法，最新版本能根据设定目标位置精确回球。

因固定于球台，机器人移动范围有限，主要回击中线附近新月形区域来球。未来工程师计划将机器人安装于龙门架或轮式平台，以扩大覆盖范围应对更多元化的击球。

"乒乓球核心在于预判对手击球产生的旋转与轨迹，这是自动发球机无法提供的信息，"Cancio强调，"此类机器人能模拟实战中对手的战术动作，有效辅助人类训练提升。"

本研究部分经费由机器人与人工智能研究所提供。