人机对打乒乓球吉尼斯世界纪录在上理工诞生

作者:吴苡婷 来源:上海科技报

【编者按】“小丘”的出色表现背后是高科技技术的合成,为了让“小丘”能精准且快速地识别来球,团队创建了创新高速双目视觉系统。

  正手击球、反手挡球、快速杀球……上海理工大学机器智能研究院的实验室里正上演一场乒乓球大战,比赛场上“淡定”的选手却是一台智能机器人“小丘”,与之对打的则是它的“生父”之一、研究院老师季云峰。11月26日,经过吉尼斯世界纪录现场认证,“小丘”凭借6241次的成绩,创造了“乒乓球人机对战中连续对打次数最多”的世界纪录。

  “小丘”是在德国汉堡科学院张建伟院士的指导以及研究院师生的帮助支持下,由季云峰带领数名新工科学生研制出来的。季云峰于2015年在上理工光电信息与计算机工程学院获得控制工程硕士学位。2017年,他由中国乒乓球学院公派赴德国汉堡大学信息科学系攻读博士学位,师从国际乒联副主席、中国乒乓球学院院长施之皓和中国乒乓球学院副院长任杰教授,从事实战型智能乒乓球机器人研制工作。

  “小丘”刚研制出来的时候,还相当于初学乒乓球的“小朋友”,季云峰团队并没有满足于当时的成果,而是希望赋予其“辅助康疗为主、娱乐训练为辅”的更优功能。于是历经3年的潜心研究才有了升级版“小丘”,如今的“小丘”能在0.5秒内完成识别、预测、判断、控制等一系列动作,并且在与季云峰对打的将近2个小时中表现出了极强的稳定性。

  市面上的类似机器人打球的设备都是固定机位发球或者生硬回击球,难以实现“真正”的人机对打。为何这个看起来仅仅像是乒乓球桌上安了一只机械臂的“小丘”机器人却收放自如,成为乒乓球对打“高手”呢?

  季云峰告诉记者,“小丘”的出色表现背后是高科技技术的合成,为了让“小丘”能精准且快速地识别来球,团队创建了创新高速双目视觉系统。相对于高斯滤波、全图霍夫圆检测等耗时较多的传统图像处理方法,该系统的动态区域ROI、帧差、机器学习的耗时不到1毫秒,能够以250次/秒的速度计算出乒乓球的位置和速度,大大提高了对乒乓球三维定位跟踪以及飞行轨迹的预测精准性。为了配合该系统,研究团队将6台摄像机两两分组放置于各侧,分别承担起球体空间定位、人体动作识别和小球转速识别的任务,为系统的指挥中枢提供信息来源。在赋予“小丘”“眼观六路”功能的同时,还得让其臂膀灵活、收放自如,为此团队把雅克比矩阵关节空间轨迹规划、5次多项式控制速度和加速度等理论应用到控制系统之中。

  “‘小丘’目前比较适应我的打球习惯,可能换个陌生人会需要重新磨合一下,但是它是一个具有自主学习能力的机器人,长时间对打可以存储使用者的数据并逐步适应使用者的打球习惯。”季云峰说,“创造吉尼斯世界纪录是‘小丘’成长路上的第一个里程碑,接下来我们希望让研究院自主研发的双足机器人‘小贝’与‘小丘’合体,打造出既能平稳双足行走又能灵活地在乒乓球台前打球、陪练的机器人。此外,未来会给‘小丘’加入心率血氧体征采集、康复训练计划制定、个性化康复训练等功能,可以为亚健康人群定制个性化运动处方。”