Además de entrenar a futuros jugadores, la tecnología podría ampliar las capacidades de otros robots humanoides, como por ejemplo para búsqueda y rescate.
Los ingenieros del MIT se están sumando al juego de ping pong robótico con un diseño ligero y potente que devuelve tiros con precisión de alta velocidad.
El nuevo robot de tenis de mesa consta de un brazo robótico multiarticular fijado a un extremo de una mesa de ping pong y que empuña una raqueta estándar. Con la ayuda de varias cámaras de alta velocidad y un sistema de control predictivo de alto ancho de banda, el robot calcula rápidamente la velocidad y la trayectoria de la pelota y ejecuta uno de varios tipos de swing (bucle, drive o corte) para golpear la pelota con precisión en la posición deseada de la mesa con diferentes tipos de efecto.
En las pruebas, los ingenieros lanzaron 150 pelotas al robot, una tras otra, desde el otro lado de la mesa de ping pong. El robot devolvió las pelotas con éxito, con una tasa de acierto de aproximadamente el 88 % en los tres tipos de swing. La velocidad de golpeo del robot se acerca a la velocidad máxima de devolución de los jugadores humanos y es superior a la de otros diseños robóticos de tenis de mesa.
Ahora, el equipo busca ampliar el radio de juego del robot para que pueda realizar una mayor variedad de tiros. Prevén que esta configuración podría ser un competidor viable en el creciente campo de los sistemas de entrenamiento robótico inteligente.
Más allá del juego, el equipo dice que la tecnología de tenis de mesa podría adaptarse para mejorar la velocidad y la capacidad de respuesta de los robots humanoides, particularmente para escenarios de búsqueda y rescate y situaciones en las que un robot necesitaría reaccionar o anticiparse rápidamente.
«Los problemas que estamos resolviendo, específicamente relacionados con la interceptación de objetos con mucha rapidez y precisión, podrían ser potencialmente útiles en escenarios donde un robot tiene que realizar maniobras dinámicas y planificar dónde su efector final se encontrará con un objeto, en tiempo real», dice David Nguyen, estudiante de posgrado del MIT.
Nguyen es coautor del nuevo estudio, junto con el estudiante de posgrado del MIT Kendrick Cancio y Sangbae Kim, profesor asociado de ingeniería mecánica y director del Laboratorio de Robótica Biomimética del MIT . Los investigadores presentarán los resultados de estos experimentos en un artículo en la Conferencia Internacional de Robótica y Automatización (ICRA) del IEEE este mes.
Juego preciso
Construir robots para jugar al ping pong es un desafío que los investigadores han asumido desde la década de 1980. El problema requiere una combinación única de tecnologías, que incluyen visión artificial de alta velocidad, motores y actuadores rápidos y ágiles, control preciso de manipuladores y predicción exacta en tiempo real, así como una planificación de alto nivel de la estrategia de juego.
“Si consideramos el espectro de problemas de control en robótica, por un lado, tenemos la manipulación, que suele ser lenta y muy precisa, como recoger un objeto y asegurarse de sujetarlo bien. Por otro lado, tenemos la locomoción, que consiste en ser dinámico y adaptarse a las perturbaciones del sistema”, explica Nguyen. “El ping pong se encuentra en un punto intermedio. Se sigue realizando manipulación, ya que hay que ser preciso al golpear la pelota, pero en 300 milisegundos. Por lo tanto, se equilibran problemas similares de locomoción dinámica y manipulación precisa”.
Los robots de ping pong han evolucionado significativamente desde la década de 1980, con diseños más recientes de Omron y Google DeepMind que emplean técnicas de inteligencia artificial para «aprender» de datos previos de ping pong y mejorar su rendimiento ante una creciente variedad de golpes. Estos diseños han demostrado ser lo suficientemente rápidos y precisos como para competir con jugadores humanos de nivel intermedio.
“Estos son robots realmente especializados, diseñados para jugar al ping pong”, dice Cancio. “Con nuestro robot, estamos explorando cómo las técnicas utilizadas para jugar al ping pong podrían aplicarse a un sistema más generalizado, como un robot humanoide o antropomórfico capaz de realizar diversas funciones útiles”.
Control del juego
Para su nuevo diseño, los investigadores modificaron un brazo robótico ligero y de alta potencia que el laboratorio de Kim desarrolló como parte del MIT Humanoid: un robot bípedo de dos brazos, del tamaño aproximado de un niño pequeño. El grupo utiliza el robot para probar diversas maniobras dinámicas, como desplazarse por terrenos irregulares y variables, además de saltar, correr y hacer volteretas hacia atrás, con el objetivo de algún día utilizar estos robots en operaciones de búsqueda y rescate.
Cada brazo del humanoide tiene cuatro articulaciones, o grados de libertad, controladas por un motor eléctrico. Cancio, Nguyen y Kim construyeron un brazo robótico similar, que adaptaron para jugar al ping pong añadiendo un grado de libertad adicional en la muñeca para controlar una raqueta.
El equipo fijó el brazo robótico a una mesa en un extremo de una mesa de ping pong estándar e instaló cámaras de captura de movimiento de alta velocidad alrededor de la mesa para rastrear las pelotas que rebotan hacia el robot. También desarrollaron algoritmos de control óptimo que predicen, basándose en principios matemáticos y físicos, la velocidad y la orientación de la pala que debe ejecutar el brazo para golpear una pelota con un tipo de swing específico: loop (o topspin), drive (directo) o chop (backspin).
El equipo fijó el brazo robótico a una mesa en un extremo de una mesa de ping pong estándar e instaló cámaras de captura de movimiento de alta velocidad alrededor de la mesa para rastrear las pelotas que rebotan hacia el robot. Aquí, realiza un giro hacia atrás.Crédito: Cortesía de los investigadores.
Implementaron los algoritmos utilizando tres computadoras que procesaban simultáneamente imágenes de cámara, estimaban el estado de una pelota en tiempo real y traducían estas estimaciones a comandos para que los motores del robot reaccionaran rápidamente y realizaran un swing.
Tras rebotar 150 pelotas consecutivamente en el brazo, descubrieron que la tasa de impacto del robot, o precisión al devolver la pelota, era prácticamente la misma para los tres tipos de swings: 88,4 % para los loops, 89,2 % para los chops y 87,5 % para los drives. Posteriormente, ajustaron el tiempo de reacción del robot y descubrieron que el brazo golpea las pelotas más rápido que los sistemas existentes, a velocidades de 20 metros por segundo.
En su artículo, el equipo informa que la velocidad de golpeo del robot, o la velocidad a la que la pala golpea la pelota, es de un promedio de 11 metros por segundo. Se sabe que jugadores humanos avanzados devuelven pelotas a velocidades de entre 21 y 25 metros por segundo. Desde que se publicaron los resultados de sus experimentos iniciales, los investigadores han perfeccionado el sistema y han registrado velocidades de golpeo de hasta 19 metros por segundo (aproximadamente 68 kilómetros por hora).
“Parte del objetivo de este proyecto es que podamos alcanzar el mismo nivel atlético que la gente”, dice Nguyen. “Y en cuanto a velocidad de ataque, nos estamos acercando muchísimo”.
Su trabajo posterior también ha permitido que el robot apunte. El equipo incorporó algoritmos de control al sistema que predicen no solo cómo, sino también dónde golpear una pelota. Con su última versión, los investigadores pueden establecer una ubicación objetivo en la mesa, y el robot golpeará la pelota hacia esa misma ubicación.
Al estar fijado a la mesa, el robot tiene movilidad y alcance limitados, y solo puede devolver bolas que llegan a una zona en forma de medialuna alrededor de la línea media de la mesa. En el futuro, los ingenieros planean instalar el robot en un pórtico o plataforma con ruedas, lo que le permitirá cubrir una mayor superficie de la mesa y devolver una mayor variedad de tiros.
“Una característica importante del tenis de mesa es la predicción del giro y la trayectoria de la pelota, según el golpe del oponente, información que un lanzador de pelotas automático no proporciona”, afirma Cancio. “Un robot como este podría imitar las maniobras que haría un oponente en un entorno de juego, de forma que ayude a los humanos a jugar y mejorar”.
Esta investigación está financiada, en parte, por el Instituto de Robótica e IA. MIT News. J. Ch. Traducido al español
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