Adaptive Robot Systems in Highly Dynamic Environments: A Table Tennis Robot

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URI: http://hdl.handle.net/10900/133585
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:21-dspace-1335853
http://dx.doi.org/10.15496/publikation-74938
Dokumentart: Dissertation
Date: 2022-12-01
Language: English
Faculty: 7 Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Department: Informatik
Advisor: Zell, Andreas (Prof. Dr.)
Day of Oral Examination: 2022-06-30
DDC Classifikation: 004 - Data processing and computer science
600 - Technology
Keywords: Robotik , Operante Konditionierung , Maschinelles Sehen
Other Keywords: Tischtennisroboter, Robot Vison, Reinforcement Learning
robotic table tennis, robot vision, reinforcement learning
License: Publishing license including print on demand
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Inhaltszusammenfassung:

Hintergrund: Tischtennis bietet ideale Bedingungen, um Kamera-basierte Roboterarme am Limit zu testen. Die besondere Herausforderung liegt in der hohen Geschwindigkeit des Spiels und in der großen Varianz von Spin und Tempo jedes einzelnen Schlages. Die bisherige Forschung mit Tischtennisrobotern beschränkt sich jedoch auf einfache Szenarien, d.h. auf langsame Bälle mit einer geringen Rotation. Forschungsziel: Es soll ein lernfähiger Tischtennisroboter entwickelt werden, der mit dem Spin menschlicher Gegner umgehen kann. Methoden: Das vorgestellte Robotersystem besteht aus sechs Komponenten: Ballpositionserkennung, Ballspinerkennung, Balltrajektorienvorhersage, Schlagparameterbestimmung, Robotertrajektorienplanung und Robotersteuerung. Zuerst wird der Ball mit traditioneller Bildverarbeitung in den Kamerabildern lokalisiert. Mit iterativer Triangulation wird dann seine 3D-Position berechnet. Aus der Kurve der Ballpositionen wird die aktuelle Position und Geschwindigkeit des Balles ermittelt. Für die Spinerkennung werden drei Methoden präsentiert: Die ersten beiden verfolgen die Bewegung des aufgedruckten Ball-Logos auf hochauflösenden Bildern durch Computer Vision bzw. Convolutional Neural Networks. Im dritten Ansatz wird die Flugbahn des Balls unter Berücksichtigung der Magnus-Kraft analysiert. Anhand der Position, der Geschwindigkeit und des Spins des Balls wird die zukünftige Flugbahn berechnet. Dafür wird die physikalische Diffenzialgleichung mit Gravitationskraft, Luftwiderstandskraft und Magnus-Kraft schrittweise gelöst. Mit dem berechneten Zustand des Balls am Schlagpunkt haben wir einen Reinforcement-Learning-Algorithmus trainiert, der bestimmt, mit welchen Schlagparametern der Ball zu treffen ist. Eine passende Robotertrajektorie wird von der Reflexxes-Bibliothek generiert. %Der Roboter wird dann mit einer Frequenz von 250 Hz angesteuert. Ergebnisse: In der quantitativen Auswertung erzielen die einzelnen Komponenten mindestens so gute Ergebnisse wie vergleichbare Tischtennisroboter. Im Hinblick auf das Forschungsziel konnte der Roboter - ein Konterspiel mit einem Menschen führen, mit bis zu 60 Rückschlägen, - unterschiedlichen Spin (Über- und Unterschnitt) retournieren - und mehrere Tischtennisübungen innerhalb von 200 Schlägen erlernen. Schlußfolgerung: Bedeutende algorithmische Neuerungen führen wir in der Spinerkennung und beim Reinforcement Learning von Schlagparametern ein. Dadurch meistert der Roboter anspruchsvollere Spin- und Übungsszenarien als in vergleichbaren Arbeiten.

Abstract:

Background: Robotic table tennis systems offer an ideal platform for pushing camera-based robotic manipulation systems to the limit. The unique challenge arises from the fast-paced play and the wide variation in spin and speed between strokes. The range of scenarios under which existing table tennis robots are able to operate is, however, limited, requiring slow play with low rotational velocity of the ball (spin). Research Goal: We aim to develop a table tennis robot system with learning capabilities able to handle spin against a human opponent. Methods: The robot system presented in this thesis consists of six components: ball position detection, ball spin detection, ball trajectory prediction, stroke parameter suggestion, robot trajectory generation, and robot control. For ball detection, the camera images pass through a conventional image processing pipeline. The ball’s 3D positions are determined using iterative triangulation and these are then used to estimate the current ball state (position and velocity). We propose three methods for estimating the spin. The first two methods estimate spin by analyzing the movement of the logo printed on the ball on high-resolution images using either conventional computer vision or convolutional neural networks. The final approach involves analyzing the trajectory of the ball using Magnus force fitting. Once the ball’s position, velocity, and spin are known, the future trajectory is predicted by forward-solving a physical ball model involving gravitational, drag, and Magnus forces. With the predicted ball state at hitting time as state input, we train a reinforcement learning algorithm to suggest the racket state at hitting time (stroke parameter). We use the Reflexxes library to generate a robot trajectory to achieve the suggested racket state. Results: Quantitative evaluation showed that all system components achieve results as good as or better than comparable robots. Regarding the research goal of this thesis, the robot was able to - maintain stable counter-hitting rallies of up to 60 balls with a human player, - return balls with different spin types (topspin and backspin) in the same rally, - learn multiple table tennis drills in just 200 strokes or fewer. Conclusion: Our spin detection system and reinforcement learning-based stroke parameter suggestion introduce significant algorithmic novelties. In contrast to previous work, our robot succeeds in more difficult spin scenarios and drills.

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