Blitzschneller Ping-Pong-Roboter von MIT: Präzision und Geschwindigkeit vereint

CAMBRIDGE / LONDON (IT BOLTWISE) – Die Ingenieure des MIT haben einen bemerkenswert schnellen Ping-Pong-Roboter entwickelt, der nicht nur mit menschlicher Geschwindigkeit und Präzision Bälle zurückschlägt, sondern auch Spin- und Zielstrategien imitiert.

Die Ingenieure des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben einen bahnbrechenden Ping-Pong-Roboter entwickelt, der mit einer Geschwindigkeit von bis zu 42 Meilen pro Stunde Bälle zurückschlagen kann. Dieser Roboter ist nicht nur schnell, sondern auch äußerst präzise und kann menschliche Spieltechniken wie Spin und Zielgenauigkeit nachahmen. Der Roboter besteht aus Komponenten eines humanoiden Roboters und wird von fortschrittlichen Vorhersagealgorithmen angetrieben, die ihm eine beeindruckende Erfolgsquote von 88 % in Tests verleihen.

Im Kern des Systems befindet sich ein mehrgelenkiger Roboterarm, der an einem Ende eines Standard-Ping-Pong-Tisches montiert ist. Dieser Arm hält einen normalen Schläger und nutzt ein Netzwerk aus Hochgeschwindigkeitskameras sowie ein fortschrittliches prädiktives Kontrollsystem, um ankommende Bälle zu verfolgen. Der Roboter wählt dann aus verschiedenen Schlagstilen, wie Topspin-Loops, geraden Drives oder trickreichen Rückwärtsdrehungen, um den Ball mit genau dem richtigen Spin an das gewünschte Ziel zu senden.

In realen Tests wurden dem Roboter 150 Bälle in schneller Folge zugeworfen, von denen er fast 88 Prozent erfolgreich zurückschlug. Seine Schlaggeschwindigkeit kann mit der von Spitzenspielern mithalten und übertrifft frühere robotische Tischtennissysteme. Die Forscher arbeiten nun daran, die Mobilität des Roboters zu erweitern, um eine größere Bandbreite an Schlägen aus einem größeren Bereich zurückgeben zu können.

Die Technologie, die in diesem Roboter steckt, könnte weit über den Tischtennissport hinaus Anwendung finden. Die Fähigkeit, Objekte schnell und präzise abzufangen, könnte in humanoiden Robotern eingesetzt werden, um deren Agilität und Reaktionsfähigkeit zu verbessern. Dies könnte in Such- und Rettungsmissionen oder in jeder Umgebung, in der schnelle, Echtzeit-Reaktionen entscheidend sind, von Nutzen sein.

David Nguyen, ein MIT-Student und Mitautor der neuen Studie, erklärt, dass die Lösungen, die speziell für das schnelle und präzise Abfangen von Objekten entwickelt wurden, in Szenarien nützlich sein könnten, in denen ein Roboter dynamische Manöver ausführen muss. Die Forscher werden die Ergebnisse ihrer Experimente auf der IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA) präsentieren.

Die Entwicklung von Robotern, die Tischtennis spielen können, ist eine Herausforderung, der sich Forscher seit den 1980er Jahren stellen. Diese Aufgabe erfordert eine einzigartige Kombination von Technologien, darunter Hochgeschwindigkeits-Maschinenvision, schnelle und wendige Motoren und Aktuatoren, präzise Manipulatorsteuerung und genaue, Echtzeit-Vorhersagen sowie eine höhere Planung der Spielstrategie.

Ping-Pong-Roboter haben seit den 1980er Jahren einen langen Weg zurückgelegt, zuletzt mit Designs von Omron und Google DeepMind, die künstliche Intelligenz-Techniken einsetzen, um aus früheren Ping-Pong-Daten zu lernen und die Leistung eines Roboters gegen eine zunehmende Vielfalt von Schlägen und Schüssen zu verbessern. Diese Designs haben sich als schnell und präzise genug erwiesen, um mit menschlichen Spielern mittleren Niveaus zu spielen.

Für ihr neues Design haben die Forscher einen leichten, leistungsstarken Roboterarm modifiziert, den das Labor von Sangbae Kim als Teil des MIT Humanoid entwickelt hat. Der Roboter wird verwendet, um verschiedene dynamische Manöver zu testen, darunter das Navigieren in unebenem und wechselndem Gelände sowie das Springen, Laufen und Rückwärtssaltos, mit dem Ziel, solche Roboter eines Tages für Such- und Rettungseinsätze einzusetzen.

Die Forscher haben den Roboterarm an einem Ende eines Standard-Ping-Pong-Tisches befestigt und Hochgeschwindigkeits-Bewegungserfassungskameras um den Tisch herum aufgestellt, um Bälle zu verfolgen, die auf den Roboter zuprallen. Sie entwickelten optimale Kontrollalgorithmen, die basierend auf den Prinzipien der Mathematik und Physik vorhersagen, mit welcher Geschwindigkeit und Schlägerausrichtung der Arm einen ankommenden Ball mit einem bestimmten Schlagstil treffen sollte.

Nach dem aufeinanderfolgenden Abprallen von 150 Bällen auf den Arm stellten sie fest, dass die Trefferquote des Roboters, also die Genauigkeit beim Zurückschlagen des Balls, bei allen drei Schlagarten etwa gleich war: 88,4 Prozent für Loop-Schläge, 89,2 Prozent für Rückwärtsdrehungen und 87,5 Prozent für Drives. Sie haben seitdem die Reaktionszeit des Roboters optimiert und festgestellt, dass der Arm Bälle schneller trifft als bestehende Systeme, mit Geschwindigkeiten von 20 Metern pro Sekunde.

In ihrem Papier berichten die Forscher, dass die Schlaggeschwindigkeit des Roboters, also die Geschwindigkeit, mit der der Schläger den Ball trifft, durchschnittlich 11 Meter pro Sekunde beträgt. Fortgeschrittene menschliche Spieler sind dafür bekannt, Bälle mit Geschwindigkeiten zwischen 21 und 25 Metern pro Sekunde zurückzuschlagen. Seit der Erstellung der Ergebnisse ihrer ersten Experimente haben die Forscher das System weiter optimiert und Schlaggeschwindigkeiten von bis zu 19 Metern pro Sekunde (etwa 42 Meilen pro Stunde) aufgezeichnet.

Ein Teil des Ziels dieses Projekts ist es, zu zeigen, dass wir das gleiche Maß an Athletik erreichen können, das Menschen haben, sagt Nguyen. Und in Bezug auf die Schlaggeschwindigkeit kommen wir dem wirklich, wirklich nahe. Ihre Folgearbeit hat es dem Roboter auch ermöglicht, zu zielen. Das Team hat Kontrollalgorithmen in das System integriert, die nicht nur vorhersagen, wie, sondern auch wo ein ankommender Ball getroffen werden soll. Mit seiner neuesten Iteration können die Forscher einen Zielort auf dem Tisch festlegen, und der Roboter wird einen Ball an denselben Ort schlagen.

Da der Roboter an den Tisch gebunden ist, hat er eine begrenzte Mobilität und Reichweite und kann hauptsächlich Bälle zurückschlagen, die innerhalb eines halbmondförmigen Bereichs um die Mittellinie des Tisches ankommen. In Zukunft planen die Ingenieure, den Roboter auf einem Portal oder einer Plattform mit Rädern zu montieren, damit er mehr vom Tisch abdecken und eine größere Vielfalt an Schlägen zurückgeben kann.

Ein großer Teil des Tischtennis besteht darin, den Spin und die Flugbahn des Balls vorherzusagen, basierend darauf, wie der Gegner ihn getroffen hat, was Informationen sind, die ein automatischer Ballwerfer nicht liefert, sagt Cancio. Ein solcher Roboter könnte die Manöver nachahmen, die ein Gegner in einer Spielsituation ausführen würde, auf eine Weise, die Menschen hilft, zu spielen und sich zu verbessern.

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