Tischtennis-Roboter: Implikationen für technische Fähigkeiten?

„Die große Leistung des vorgestellten Systems liegt nicht im vorgestellten Steuerungsansatz. Denn dieser unterscheidet sich nur inkrementell von den vorherigen und im Artikel zitierten Ansätzen. Und er weist sogar ein paar klare Schwächen auf: Zum Beispiel bewegt sich der Roboterarm in einem quasilinearen Regime und bleibt daher hinter seiner Maximalleistung.“

„Das bedeutet, der Roboter wird mit einem suboptimalen Regelungsansatz betrieben: Die Autoren haben keine Vorsteuerung, welche mit Kräftevorhersage die komplexen, nichtlinearen Kräfte der realen Welt kompensiert. Stattdessen treiben sie den Roboter durch einen linearen Regler an und kompensieren so die nichtlinearen Kräfte nur, wenn ein Regelfehler bereits entstanden ist. Dieser Ansatz braucht viel Energie und hat eine niedrigere Genauigkeit. Außerdem ist er potenziell für Menschen im Arbeitsraum hochgefährlich.“

„Allerdings haben die Autoren einen Traum aus vier Jahrzehnten Forschung an Roboter-Tischtennis erfüllt: Roboter, die in einer hochkomplexen Aufgabe wie Tischtennis über die Leistung der Menschen hinauswachsen.“

„Aber diese herausragende Leistung kam auch zu einem hohen Preis: Vorherige Roboter-Tischtennis-Systeme wurden überwiegend von einzelnen Doktoranden entwickelt, die in diesem Rahmen wissenschaftliche Fragestellungen beantworten mussten. Das Sony-Team bestand aus 49 Forschern und einer dreistelligen Zahl an Technikern und Hilfspersonal.“

„Die Fähigkeiten begeistern sehr. Sie sind schließlich einer der alten großen, unerfüllten Träume der meisten Robotiker (gemeint ist, dass ein Roboter bei einer komplexen Aufgabe dem Menschen ebenbürtig oder überlegen ist; Anm. d. Red.).“

„Aber bei der schieren Menge an genutzten Ressourcen – also sowohl Manpower und Technik als auch Rechenleistung – kann von Überraschung keine Rede sein. Eher davon, dass man existierende Ansätze von Technological Readyness Level (TRL) 4 bis zu TRL 8 hochoptimiert hat (die TRL-Skala gibt von 1 bis 9 an, wie nah eine Technologie an der Marktreife ist, wobei 1 noch in der Frühphase der Forschung steckt und 9 bereit für die kommerzielle Anwendung ist; Anm. d. Red.). TRL 4 meint: Validierung von Komponenten in einer Laborumgebung. TRL 8 bedeutet: Das eigentliche System ist fertiggestellt und durch Tests und Demonstrationen als ‚flugtauglich‘ eingestuft. Dass Sony hierfür die Ressourcen gestellt hat, beeindruckt mich sehr.“

„Generell ist Tischtennis für Robotiker so etwas wie die Eintagsfliege Drosophila für Biologen: eine tolle experimentelle Umgebung. Der präsentierte Ansatz wurde speziell für Tischtennis entwickelt. Daher ist es extrem unwahrscheinlich, dass praktische Aufgaben davon profitieren. Selbst eine Generalisierung von früheren Roboter-Tischtennis-Ansätzen zu Roboter-Badminton war erstaunlich schlecht. Das liegt an den unterschiedlichen benötigten Ball- und Schlägerbeschleunigungen.“

„Roboter-Bewegung und -Navigation haben sich bereits sehr weit entwickelt. Die zwei großen bestehenden Probleme der Robotik sind die Roboter-Manipulation und Roboter-Loko-Manipulation (Manipulation: Der Roboter interagiert mit seiner Umgebung, manipuliert also Objekte darin; Loko-Manipulation: Der Roboter kann sich fortbewegen und gleichzeitig mit seiner Umgebung interagieren, also Objekte manipulieren; Anm. d. Red.). Für beide hilft die Arbeit an Tischtennis gar nicht – wie ich aus meiner Roboter-Tischtennis-Arbeit von vor fast 15 Jahren auch gelernt habe.“

„Menschliche Bewegungen sind durch den menschlichen Körper geprägt und daher stark eingeschränkt. Beim Tischtennis sorgt dies dafür, dass Menschen nur wenige mögliche Schläge ausführen können. Diese Bewegungen sind ‚Motor-primitives‘ (das sind grundlegende Bewegungssequenzen wie das Heben des Arms; Anm. d. Red.). Sie können an verschiedenen Positionen wiederverwendet werden, indem der Mensch etwa den Torso weiterbewegt.“

„Roboter können viel mehr nützliche Schläge lernen und perfektionieren. Sie haben aber – bis auf wenige Ausnahmen – keine vergleichbaren Möglichkeiten, sich zu repositionieren. Dadurch unterscheidet sich das Repertoire von Bewegungen fundamental.“

„Roboter oder Robotersimulationen zu nutzen, um zu erforschen, was für Bewegungen möglich sind, ist eine spannende Schnittstelle zwischen Robotik und Kognitionswissenschaften. Daher kann man über dieses System bestimmt Hypothesen über menschliches motorisches Verhalten testen. Das ginge zum Beispiel, indem man dem Roboter seine hohe Geschwindigkeit und Genauigkeit wegnimmt und testet, ob seine Fertigkeiten dadurch menschenähnlicher werden.“

„Das entwickelte System zeugt von beeindruckender Ingenieurskunst. Der Ball wird von zwölf Hochgeschwindigkeitskameras verfolgt, die um das Spielfeld platziert sind. Drei dieser Kameras sind Event-Kameras, welche den Ball mit beweglichen Spiegeln verfolgen und dessen Drehmoment schätzen. Der einarmige Roboter wurde auf Geschwindigkeit optimiert und deckt den typischen Bewegungsbereich von Tischtennisspielern ab. Diese Kombination ist innovativ. Die Steuerung des Roboters wird in einer physikbasierten Simulation erlernt. Dies ist eine Standardvorgehensweise.“

„Es verwundert, dass das System den gegnerischen Spieler nicht wahrnimmt. Die Beobachtung des Gegners würde es erlauben, dessen Aktionen schon vor dem eigentlichen Schlag zu antizipieren. Das ist hier nicht möglich.“

„Die gezeigten Spielfähigkeiten des Robotersystems sind auf dem Niveau von sehr guten Spielern mit mehr als zehn Jahren Erfahrung. Aber sie sind professionellen Spielern noch unterlegen. Das Spielverhalten unterscheidet sich deutlich vom Verhalten menschlicher Spieler. Durch die konsequente Optimierung auf Geschwindigkeit reagiert das Robotersystem schneller als Menschen. Menschen haben noch Vorteile bei höheren Ballgeschwindigkeiten und -drehmomenten.“

„Die Fähigkeiten des Robotersystems verwundern nicht. Denn es wurde auf die spezielle Aufgabe optimiert und unterliegt nicht den Beschränkungen menschlicher Spieler. Noch beindruckender wäre, wenn ein humanoider Roboter normaler Größe mit nur zwei Kameras im Kopf und menschähnlichen Händen gut Tischtennis spielen würde.“

„Solche Demonstrationen machen deutlich, was heute möglich ist, aber auch, wo es noch Beschränkungen gibt. Die Entwicklungen sind für spezielle Anwendungsfälle relevant – etwa als Trainingspartner für menschliche Spieler.“

„Noch relevanter für die Praxis wären Mehrzweckroboter, die eine Vielzahl an Aufgaben in Alltags- und Produktionsumgebungen erledigen können. Außerdem sollten sie schnell an neue Aufgaben angepasst werden können, aus ihren Fehlern lernen und ihre Grenzen kennen. Solche intelligenten Roboter erfordern noch viel Forschungsarbeit.“

„Das Robotersystem ist nicht-menschenähnlich konstruiert und auf geringe Latenz optimiert (Latenz: Zeit, die der Roboter braucht, um auf ein Ereignis in seiner Umgebung zu reagieren; Anm. d. Red.). Dadurch hat es die Möglichkeit, Spieltaktiken zu entdecken, die Menschen so nicht möglich sind.“

„Erst, wenn menschenähnliche Roboter mit menschlichen Beschränkungen neue Spieltaktiken fänden, könnten menschliche Spieler versuchen, diese nachzuahmen.“

„Die für die Entwicklung des Tischtennisroboters (TT-Roboter) verwendete Hardware ist State of the Art: Die beiden Linearachsen geben dem Roboter einen großen Aktionsradius und die sechs Drehgelenke eine ausreichende Beweglichkeit für die unterschiedlichen Schlagbewegungen. Ein Tischtennisroboter auf Linearachsen ist nicht neu. Dieser hier ist aber etwas schneller und effektiver als frühere Roboter.“

„Der Technologiehersteller Omron hat einen anderen sehr leistungsfähigen TT-Roboter entwickelt: ‚Forpheus‘. Er basiert auf einer Delta-Kinematik (Roboter, der dank drei spitzzulaufender Arme an den griechischen Buchstaben Delta erinnert; Anm. d. Red.) und wurde über mindestens sieben Generationen entwickelt. Dieser könnte möglicherweise noch etwas schneller sein.“

„Die Software des Sony-Roboters ist auch State of the Art. Sie ist aber auch nicht überraschend neu oder andersartig. Sie ist aber sehr gut auf Geschwindigkeit optimiert. Die Bildverarbeitung nutzt neun stationäre S/W-Kameras mit Sony-IMX273-Bildsensoren, die mit 1,6 Megapixel recht hochauflösend sind und hier mit 200 Hertz (Hz) ausgelesen werden. Zusätzlich werden drei von Sony patentierte Tracking-Kameras eingesetzt, die eine Event-Kamera mit Sony-IMX636-Sensor und ein spezielles Linsensystem einsetzen, um mit einem nachgeschalteten neuronalen Netz Position und Spin der Tischtennisbälle noch schneller und besser verfolgen zu können.“

„Der insgesamt sehr schnelle Roboter wurde genau auf die Bedürfnisse des Tischtennisspiels hin entwickelt. Das und vor allem die extrem schnelle und präzise Ballverfolgung sind meiner Meinung nach die Highlights dieser Publikation. Die Präzision des Roboters ist beeindruckend. Sie ist von einer Uni-Arbeitsgruppe oder mit einem kommerziellen Roboterarm (der dann auch zu schwer für Linearachsen ist) nicht zu erreichen.“

„Es wäre aber extrem interessant, wenn dieser Tischtennisroboter einmal gegen den oben genannten ‚Forpheus‘ antreten würde. Denn zumindest in den wenigen Videos scheinen sie bei vollkommen unterschiedlicher Roboterkinematik ähnliche Qualitäten in Bezug auf Geschwindigkeit und Präzision zu haben. Ein solches Duell ist aber schwierig, denn beide Roboter benötigen eine spezielle ‚Infrastruktur‘ an Kameras um sie herum. Diese sind möglicherweise nicht kompatibel.“

„Zu beachten ist auch, dass Ace zwar sehr guten Vereinsspielern überlegen ist. Aber Tischtennis-Profis gewinnen immer noch meist gegen den Roboter. Vor allem mit präzise verteilten, sehr schnellen Topspin-Schlägen. Er ist also noch nicht übermenschlich stark, aber schon wirklich sehr gut.“

„Der gezeigte Tischtennisroboter ist nicht nur wegen seiner Fähigkeit interessant, auf sehr hohem Niveau Tischtennis spielen zu können. Sondern er ist es auch, weil er zeigt, wie man Position und Drehmoment sehr schnell beweglicher Objekte präzise messen und in kürzester Zeit optimal darauf reagieren kann.“

„Außerdem ist er für Sony ein Demonstrator für die neue Klasse von Event-Kameras, die ein neues Kamera-Paradigma darstellen. Dass trotzdem noch so viele Kameras mit schnellen Frame-basierten Bildsensoren eingesetzt werden, zeigt aber auch, dass die neuartigen Sensoren eher eine Ergänzung und bisher noch keinen Ersatz für die klassischen Bildsensoren darstellen.“

„Der letzte Abschnitt der Studie ist ein lustiger Ausklang. Aber ich nehme ihn nicht sehr ernst.“

„Der Artikel zeigt aber, dass Roboter auch bei Tätigkeiten, die wie Ballspiele mit sehr schnellen Objekten mit Drehmoment optimiert auf die kognitiven und dynamischen Fähigkeiten von Menschen scheinen, zu Menschen aufschließen und sie eventuell bald überholen können. Der hier gezeigte Tischtennisroboter ist kein humanoider Roboter, auch wenn er sehr gut Tischtennis spielen kann. Aber auch bei humanoiden Robotern erleben wir gerade eine rapide Verbesserung ihrer Fähigkeiten. Das geschieht durch verbesserte Sensoren, Aktoren und zusätzlich die Integration von Schlussfolgerungsfähigkeiten durch lokale und vernetzte große Sprach- und Wissensmodelle. Diese intelligenten Roboter – ob humanoid oder nicht-humanoid – werden für die nächste große industrielle Revolution verantwortlich sein.“