羽毛球機器人如何“看得清”“動得準”？

移動、引拍、擊球——測試場地上，一個四足機器人靈活地揮動機械臂，將飛來的羽毛球打回給它的人類對手。近日，瑞士蘇黎世聯邦理工學院研究團隊在國際期刊《科學·機器人學》上發佈了其研發的新型足式機器人系統（見圖，瑞士蘇黎世聯邦理工學院供圖）。這個特殊的“運動員”能夠僅憑機載感知設備預測羽毛球飛行軌跡、調整自身位置並精確完成擊打動作。“我們的成果展示了足式機器人如何執行復雜、動態、由感知驅動的任務，可以為整合機器人高速感知和全身協調能力提供新的思路。”該研究的第一作者、蘇黎世聯邦理工學院機器人系統實驗室的馬雲濤博士在接受本報記者採訪時表示。

羽毛球是世界上速度最快的球類運動之一，球速最高可達每小時400公里以上。運動員需要在極短的時間內捕捉羽毛球飛行軌跡，然後在一定範圍內快速完成位移和擊球動作。這項運動對預判、跑位和揮拍技術要求比較高，因而成為測試機器人動態感知與運動協調能力的理想項目。馬雲濤解釋説，選擇羽毛球作為實驗對象，通過設置固定和移動等不同難度的擊打目標，研究團隊可以漸進式地檢驗和提升機器人性能。

要成為合格的“羽毛球選手”，機器人首先要做到“看得清”。現有商用機載相機的運動穩定性、可變焦距和信息處理能力等方面遠遜於人眼，為實現有效的視覺追蹤，研究團隊開發了感知噪聲模型，用以量化機器人抖動、旋轉等運動狀態對目標追蹤的影響，使機器人能夠主動適應動態模糊、目標遮擋等干擾。即便目標因高速運動或遮擋短暫消失，機器人仍可基於歷史運動軌跡持續預測其位置。當羽毛球高速飛離視野中心時，機器人也會主動調整身體俯仰角度，將目標保持在相機視野內以優化追蹤效果。

讓機器人“動得準”是另一大挑戰。傳統運動機器人往往將移動與操作任務分離——底盤負責跑位，而機械臂負責操作。這種“各司其職”的設計使機器人難以應對複雜的動態環境。“我們通過一個基於強化學習的統一控制框架，將主動感知、移動和操作功能整合為一體。”該研究的共同作者、蘇黎世聯邦理工學院機械與加工工程系教授馬科·胡特表示，這項技術可同步協調機器人周身18個關節的運動，通過判斷來球的時間和距離，自主調整步態和擊球方式。實驗顯示，在測試條件下，機器人可以在單個回合內與人類對手進行10次連續對打，且對於落在球場中心區域的球達到近100%的攔截成功率。

目前，機器人從發現對手擊球到發出揮拍動作平均需要約0.35秒，其感知和反應能力仍有提升空間。研究團隊計劃通過集成更多傳感器、融合多種傳感模式並優化視覺算法等，進一步升級機器人性能。未來，這一成果有望走出球場，應用於更多需要快速響應和全身協調的複雜場景。“機器人學會了如何平衡感知穩定性與運動靈活性，這種視覺與運動之間的緊密耦合不僅對體育運動至關重要，對於災難響應、人機協作等動態應用場景同樣關鍵。這是邁向更具感知力與響應能力的移動機器人的重要一步。”馬科·胡特表示。

“相較於輪式和履帶式機器人，足式機器人具有更強的通用性，能夠適應更廣泛的應用場景，加之與人工智能技術的融合，將具備強大的感知和操作功能。”中國社會科學院中國式現代化研究院研究員李曉華表示，“隨着人工智能與機器人本體技術的突破及深度融合，規模化生產促進生產成本顯著下降，功能更強大、價格更低廉的足式機器人將在工業、休閒娛樂、居家生活、養老照護等領域獲得廣泛應用，發展成為對國民經濟具有重要推動力和影響力的新興產業。”