Quatro

Universidade Carnegie Mellon, Pittsburgh, Pensilvânia

Pesquisadores do Instituto de Robótica (RI) da Universidade Carnegie Mellon projetaram um sistema que torna um robô quadrúpede pronto para uso, ágil o suficiente para andar em uma trave de equilíbrio estreita - um feito que é provavelmente o primeiro de seu tipo.

“Esta experiência foi enorme”, disse Zachary Manchester, professor assistente no RI e chefe do Laboratório de Exploração Robótica. “Acho que ninguém já conseguiu caminhar na trave de equilíbrio com um robô antes.”

Ao aproveitar o hardware frequentemente utilizado para controlar satélites no espaço, Manchester e a sua equipa compensaram as restrições existentes no design do quadrúpede para melhorar as suas capacidades de equilíbrio.

Os elementos padrão da maioria dos robôs quadrúpedes modernos incluem um torso e quatro pernas, cada uma terminando em um pé arredondado, permitindo ao robô atravessar superfícies planas básicas e até subir escadas. Seu design lembra um animal de quatro patas, mas, ao contrário das chitas, que podem usar suas caudas para controlar curvas fechadas, ou dos gatos que caem, que ajustam sua orientação no ar com a ajuda de suas espinhas flexíveis, os robôs quadrúpedes não têm essa agilidade instintiva.

Contanto que três pés do robô permaneçam em contato com o solo, ele pode evitar tombar. Mas se apenas um ou dois pés estiverem no chão, o robô não conseguirá corrigir facilmente os distúrbios e terá um risco muito maior de cair. Esta falta de equilíbrio torna particularmente difícil caminhar em terrenos acidentados.

“Com os métodos de controle atuais, o corpo e as pernas de um robô quadrúpede estão desacoplados e não se comunicam entre si para coordenar seus movimentos”, disse Manchester.

“Então, como podemos melhorar o equilíbrio deles?”

A solução da equipe emprega um sistema de atuador de roda de reação (RWA) montado na parte traseira de um robô quadrúpede. Com a ajuda de uma nova técnica de controle, o RWA permite que o robô se equilibre independentemente da posição dos pés.

Os RWAs são amplamente utilizados na indústria aeroespacial para realizar controle de atitude em satélites, manipulando o momento angular da espaçonave.

“Você basicamente tem um grande volante com um motor acoplado”, disse Manchester, que trabalhou no projeto com o estudante de graduação do RI Chi-Yen Lee e os estudantes de graduação em engenharia mecânica Shuo Yang e Benjamin Boksor. “Se você girar o volante pesado para um lado, o satélite girará para o outro lado. Agora pegue isso e coloque no corpo de um robô quadrúpede.”

A equipe criou um protótipo de sua abordagem montando dois RWAs em um robô comercial Unitree A1 – um no eixo de inclinação e outro no eixo de rotação – para fornecer controle sobre o momento angular do robô. Com o RWA, não importa se as pernas do robô estão em contato com o solo ou não, pois os RWAs fornecem controle independente da orientação do corpo.

Manchester disse que foi fácil modificar uma estrutura de controle existente para levar em conta os RWAs porque o hardware não altera a distribuição de massa do robô, nem tem as limitações articulares de uma cauda ou coluna vertebral. Sem a necessidade de levar em conta tais restrições, o hardware pode ser modelado como um girostato (um modelo idealizado de uma espaçonave) e integrado a um algoritmo de controle preditivo de modelo padrão.

A equipe testou seu sistema com uma série de experimentos bem-sucedidos que demonstraram a capacidade aprimorada do robô de se recuperar de impactos repentinos. Na simulação, eles imitaram o problema clássico da queda do gato, deixando o robô cair de cabeça para baixo de quase meio metro, com os RWAs permitindo que o robô se reorientasse no ar e pousasse de pé. No hardware, eles mostraram a capacidade do robô de se recuperar de perturbações – bem como a capacidade de equilíbrio do sistema – com um experimento em que o robô caminhava ao longo de uma trave de equilíbrio de 6 centímetros de largura.

Manchester prevê que os robôs quadrúpedes em breve passarão de plataformas de pesquisa em laboratórios para produtos de uso comercial amplamente disponíveis, semelhante ao que eram os drones há cerca de 10 anos. E com o trabalho contínuo para melhorar as capacidades de estabilização de um robô quadrúpede para corresponder aos animais instintivos de quatro patas que inspiraram seu design, eles poderiam ser usados ​​em cenários de alto risco, como busca e resgate no futuro.