羽毛球机器人如何“看得清”“动得准”？

移动、引拍、击球——测试场地上，一个四足机器人灵活地挥动机械臂，将飞来的羽毛球打回给它的人类对手。近日，瑞士苏黎世联邦理工学院研究团队在国际期刊《科学·机器人学》上发布了其研发的新型足式机器人系统（见图，瑞士苏黎世联邦理工学院供图）。这个特殊的“运动员”能够仅凭机载感知设备预测羽毛球飞行轨迹、调整自身位置并精确完成击打动作。“我们的成果展示了足式机器人如何执行复杂、动态、由感知驱动的任务，可以为整合机器人高速感知和全身协调能力提供新的思路。”该研究的第一作者、苏黎世联邦理工学院机器人系统实验室的马云涛博士在接受本报记者采访时表示。

羽毛球是世界上速度最快的球类运动之一，球速最高可达每小时400公里以上。运动员需要在极短的时间内捕捉羽毛球飞行轨迹，然后在一定范围内快速完成位移和击球动作。这项运动对预判、跑位和挥拍技术要求比较高，因而成为测试机器人动态感知与运动协调能力的理想项目。马云涛解释说，选择羽毛球作为实验对象，通过设置固定和移动等不同难度的击打目标，研究团队可以渐进式地检验和提升机器人性能。

要成为合格的“羽毛球选手”，机器人首先要做到“看得清”。现有商用机载相机的运动稳定性、可变焦距和信息处理能力等方面远逊于人眼，为实现有效的视觉追踪，研究团队开发了感知噪声模型，用以量化机器人抖动、旋转等运动状态对目标追踪的影响，使机器人能够主动适应动态模糊、目标遮挡等干扰。即便目标因高速运动或遮挡短暂消失，机器人仍可基于历史运动轨迹持续预测其位置。当羽毛球高速飞离视野中心时，机器人也会主动调整身体俯仰角度，将目标保持在相机视野内以优化追踪效果。

让机器人“动得准”是另一大挑战。传统运动机器人往往将移动与操作任务分离——底盘负责跑位，而机械臂负责操作。这种“各司其职”的设计使机器人难以应对复杂的动态环境。“我们通过一个基于强化学习的统一控制框架，将主动感知、移动和操作功能整合为一体。”该研究的共同作者、苏黎世联邦理工学院机械与加工工程系教授马科·胡特表示，这项技术可同步协调机器人周身18个关节的运动，通过判断来球的时间和距离，自主调整步态和击球方式。实验显示，在测试条件下，机器人可以在单个回合内与人类对手进行10次连续对打，且对于落在球场中心区域的球达到近100%的拦截成功率。

目前，机器人从发现对手击球到发出挥拍动作平均需要约0.35秒，其感知和反应能力仍有提升空间。研究团队计划通过集成更多传感器、融合多种传感模式并优化视觉算法等，进一步升级机器人性能。未来，这一成果有望走出球场，应用于更多需要快速响应和全身协调的复杂场景。“机器人学会了如何平衡感知稳定性与运动灵活性，这种视觉与运动之间的紧密耦合不仅对体育运动至关重要，对于灾难响应、人机协作等动态应用场景同样关键。这是迈向更具感知力与响应能力的移动机器人的重要一步。”马科·胡特表示。

“相较于轮式和履带式机器人，足式机器人具有更强的通用性，能够适应更广泛的应用场景，加之与人工智能技术的融合，将具备强大的感知和操作功能。”中国社会科学院中国式现代化研究院研究员李晓华表示，“随着人工智能与机器人本体技术的突破及深度融合，规模化生产促进生产成本显著下降，功能更强大、价格更低廉的足式机器人将在工业、休闲娱乐、居家生活、养老照护等领域获得广泛应用，发展成为对国民经济具有重要推动力和影响力的新兴产业。”