打台球百发百中？油管博主球杆上“做手脚”

本文转载自机器之心

「知识就是力量」，在油管 up 主 Shane Wighton 的人生中，这句话绝不仅仅只是一句口号。他用一个又一个的奇思妙想证明，即使你手再残、再没有运动细胞，只要还有脑子，任何运动都难不倒你：之前是篮球，这次换成了台球。之前是在篮板上「做手脚」，这次换成了球杆。

如图所示，这个智能球杆的末端是可以活动的，球桌的上方还安装了智能摄像头，用于拍摄球桌战况和计算击球路线。

除了自娱自乐之外，这个系统还可以联网，邀请朋友或不认识的网友打一局「线上 + 线下」协同的台球比赛，可以说非常实用了。

当然，整个系统的设计并没有看起来那么简单，需要克服很多困难，如怎么控制球杆活动部位的运动，怎么控制击球的力度。

克服这些困难经历了一个痛苦的过程，我们慢慢来看。

首先，Shane Wighton 将打台球的过程分解为两个步骤：1）确定球的行进路线；2）精准击球，使其按照预想的路线滚入球洞。这也是智能击球系统需要完成的两项任务。

Wighton 所预想的系统是这样的：首先，在球桌的上方安装一个摄像头，用于记录球桌上的基本情况；这个摄像头与一个「大脑」相连，后者可以利用算法，根据摄像头拍摄到的信息计算出最佳击球路线；最后，构建一个末端可以活动的球杆，帮助玩家完成击球动作。

整个流程设计看起来非常流畅，但 Wighton 却表示，真正做起来才发现，「这可能是我做过的最复杂的一个系统」。

球杆：智能台球系统的肢体

首先来看球杆。这部分的第一个难点在于：如何让球杆的前端自由活动？不只是左右活动，还要上下活动。Wighton 首先想到了一个简单的模型，并造了一个原型出来。但无论怎么看，这个设计似乎都很难稳定控制：

其实，Wighton 知道，Stewart 平台能够满足他的要求，但这个平台做起来实在太麻烦了，所以并没有将其作为首选。但现在，他似乎没有选择了。

Stewart 平台是一种有六个棱柱接点的并联式机械手，其棱柱接点多半是油压或是电子式的线性致动器，两两成对装在平台的三个位置。棱柱接点的下方也是两两成对接在平台底盘的三个位罝，但配对会和平台的配对错开。六个棱柱接点两端共 12 个接点，都是用万向接头连接。平台上方的物体的移动有六自由度，包括三个方向的移动以及三个方向的转动。

Stewart 平台有很多优点（如稳固、体积小），甚至可以说，除了麻烦之外，似乎没有多大缺点。

为了做出 Stewart 平台，Wighton 首先需要做出很多小零件。

Stewart 平台的运动是利用一些拉紧的缆绳来控制的，缆绳的另一端连着控制器等装置。平台的精确运动则由算法借助微积分等知识来计算。

到这里，球杆的活动部分就大致完成了：

最后的击球动作通过一个气缸来完成。由于台球对击球的力度控制有要求（并非力度越大越好，比如有时候动作需要非常轻，避免白球落洞），Wighton 还给这个气缸安装了一个控制装置，可以通过放气阀等装置控制气流，从而达到控制击球力度的目的。

球杆做出来的确很酷，但它现在也只是充当一个灵活的肢体，没有「眼睛」和「大脑」。接下来，Wighton 就要给这个系统安装一个「眼睛」和「大脑」。

摄像头 + 算法：智能台球系统的眼睛和大脑

在这个系统中，悬挂在球桌上方的摄像头充当了整个系统的眼睛。但这双眼睛也遇到了一个难题：它拍出的图像并不是规则的矩形。如此一来，画面中每个球的位置就会偏离其实际位置，导致算出的击球路线不够准确（Garbage in, garbage out）。

为了校正拍摄画面，Wighton 给球桌的四个角贴上了一个基准点贴纸（类似于二维码三个角上的小方块）。这些贴纸不仅可以帮助计算机程序校正画面，还可以作为球洞、球等关键位置的参考。

为了确定球杆击球的方向，Wighton 给球杆也贴上了贴纸。球杆顶点的高低也有相应控制。

这些都准备就绪之后，Wighton 已经能够通过算法算出最佳击球路线，但问题是：路线只能显示在电脑的显示屏上，玩起来很不方便。要想玩得尽兴，还得安装一个投影仪。当然，投影仪也需要定点和校正，这里依然借助基准点来完成。

一切就绪，开始第一轮测试：

Wighton 妻子的脸上泛起了神秘的笑容：就这？

痛苦的复盘

到底是哪里出了问题？起初，他发现，球杆的最前端总是向错误的方向移动。为了找出导致这一问题的原因，Wighton 开始复盘整个系统：首先，他安装了一个摄像头来记录球桌画面，然后用一个计算机程序来校正拍到的画面，另一个程序来抽取每个关键点的位置。将这些信息输入计算机，相应算法就可以算出球杆最前端应有的角度，然后将这一信息转化为 Stewart 平台六个致动器的位置信息，完成击球动作。

经过复盘，Wighton 发现，原来是驱动球杆活动端的伺服电动机出了问题：其中两个电动机的转动量和自己预想的不一样。此外，电动机上的滑轮也有一些小问题。

把这些问题解决了就行了吧？naive。更大的问题还在后面：球还是打不进。

为了挽尊，Wighton 又进行了几天疯狂的复盘。终于，一个问题浮现在眼前：球的位置似乎有偏移。

Wighton 认为，这可能是因为广角镜头让画面产生了扭曲。但是，他的镜头是自带校正功能的，因此问题可能出在其他方面。

接下来又是四天筋疲力尽的复盘行动，Wighton 甚至自己做了一套校准系统，但一切并没有好转。

「有时候医生会把手术刀落在病人身体里，病人回家之后就会经常生病，还找不到原因。但这个病人怎么也想不到是肚子里的手术刀导致了这一切。」当最终问题浮现在眼前时，Wighton 想到了这个例子。

这里的「手术刀」就是代码里的 bug。那段代码里有校正功能，但针对的不是 Wighton 用的那台！

在经过数周的挣扎之后，这个智能台球系统终于能用了：

除了这些基本操作，一些专业进球路线现在也可以轻松实现：

独乐乐不如众乐乐，Wighton 还开发了一个线上系统，可以让其他人远程选择击球路线并控制击球，由 Wighton 代为完成球杆的摆放等活动。

Shane Wighton 是谁？

Shane Wighton 毕业于北卡罗来纳大学夏洛特分校，获得了机械工程学士学位和计算机科学硕士学位。他目前在 3D 打印技术开发商和制造商 Formlabs 公司担任首席工程师，热爱制作东西。曾发表专利：Additive fabrication support structures（增材制造支持结构）。Wighton 于 2020 年 3 月开通了自己的 YouTube 频道，现在已经有了 234 万的订阅者。

他在 YouTube 频道简介中这样写道：

我创造各种各样的事物，并且希望用有趣的方式来分享。我的大部分创造是制造项目，不过我也写软件、制作电子设备等。