Ensinando robôs a tocar e interagir como humanos

Robôs são amplamente utilizados na indústria automotiva e começaram a entrar em novos domínios de aplicação, como logística, nos últimos anos. No entanto, os robôs atuais ainda enfrentam muitas limitações. Eles normalmente realizam uma única ação ou uma sequência fixa de ações, repetindo-as da mesma forma todas as vezes.

Para atingir maior eficiência e abrir novas possibilidades, os robôs devem desenvolver habilidades mais semelhantes às humanas, como interação física rápida, compreensão espacial e adaptação rápida a mudanças. A Universidade de Tecnologia de Eindhoven falou com Alessandro Saccon, Professor Associado em controle não linear e robótica no departamento de Engenharia Mecânica da TU/e. Ele concluiu recentemente o projeto I.AM que foca explicitamente no avanço de interações físicas rápidas.

Por que robôs com sensibilidade ao impacto são tão importantes para a humanidade?

Certos trabalhos não são particularmente adequados para humanos de uma perspectiva de segurança ou ergonômica. Por exemplo, ao manusear bagagem de 20 quilos em aeroportos, trabalhar em áreas inseguras de uma usina nuclear ou lidar com cenários de desastre, você pode preferir uma máquina. Também há vários planos para enviá-los ao espaço para exploração de planetas.

No entanto, robôs ainda interagem estaticamente com os ambientes quando comparados a nós: a execução de certas tarefas-chave ainda não é possível ou a execução é muito lenta. É por isso que, em nosso projeto, buscamos desenvolver robôs com consciência de impacto. Isso significa que um robô tem que aprender a prever e reagir ao que acontece quando entra em contato rápido com objetos pesados ​​no ambiente.

O que torna esses robôs diferentes dos robôs tradicionais que conhecemos há muito tempo?

Robôs típicos não são projetados para interagir dinamicamente com seu ambiente; fazer contato rápido com os arredores é geralmente evitado a todo custo. Há um número muito grande de artigos científicos na literatura de robótica cujo foco é evitar colisões.

No projeto I.AM, visamos, em vez disso, a exploração de colisões. Analisamos como os robôs podem, por exemplo, pegar objetos pesados ​​rapidamente, garantindo que a execução desse tipo de movimento permaneça confiável, apesar de perturbações e imprecisões de percepção. Um objeto pode ser mais pesado do que o robô antecipou, ou ele assume que um objeto está em um determinado local, mas está ligeiramente errado — talvez até por alguns centímetros. Como você torna esses movimentos robustos apesar dessas incertezas? Essa é uma das coisas que temos pesquisado em profundidade.

Na prática, quais eram as principais atividades envolvidas no seu projeto?

O projeto empregou cálculos de física de primeiro princípio, usando conceitos básicos como massa e atrito, juntamente com simulações de software para identificar discrepâncias entre modelos matemáticos e eventos do mundo real. Embora as simulações nunca possam replicar perfeitamente o comportamento do robô, nós melhoramos e, mais importante, entendemos como ainda usar esses algoritmos para controlar os robôs.

Fizemos isso tomando medidas em tempo real de robôs interagindo com vários objetos em diferentes cenários. É um ciclo iterativo onde você desenvolve e implementa um algoritmo teórico de controle de robô em uma simulação, avalia os resultados e os compara com resultados do mundo real.

Você pode destacar algumas descobertas importantes deste projeto?

Descobrimos como podemos fazer um robô agarrar de forma confiável e rápida um objeto pesado com dois braços, desenvolvendo um novo algoritmo de controle que respeita a dinâmica natural do impacto. Também entendemos como usar simulações de software para obter previsões que podem ser usadas para esse propósito ou outras tarefas de impacto.

Enquanto trabalhava neste projeto, também apreciei ainda mais como movimentos complexos e percepção espacial vêm tão naturalmente para nós, humanos. Nós, pesquisadores acadêmicos, estamos agora trabalhando muito duro no desenvolvimento de hardware, percepção espacial e planejamento — especialmente a capacidade de entender o ambiente em tempo real e decidir rapidamente o que fazer a seguir, também em caso de falha. Este é um dos grandes desafios da robótica moderna. Essas ações são naturais e intuitivas para nós, mas não entendemos completamente como as fazemos nem como deveríamos construir uma máquina com habilidades semelhantes.

Também houve empresas envolvidas neste projeto?

Sim, por exemplo, um dos nossos parceiros foi o especialista em automação de processos logísticos VanderLande. Esta é uma empresa grande e bem conhecida da Holanda que opera em todo o mundo em vários campos, como aeroportos, armazenagem e manuseio de encomendas. Eles forneceram muitos casos de uso da vida real e insights sobre quais são os gargalos atuais no campo, as chamadas dores de mercado.

Um dos grandes aspectos dessa colaboração foi ter um laboratório compartilhado no campus da TU/e, o que facilitou testes práticos e cooperação próxima. Alunos e pesquisadores adoraram. Fizemos várias comparações entre experimentos de impacto reais e simulados por software, bem como desenvolvemos novos modelos de garras de sucção para serem usados ​​para controle de movimento e planejamento.

Você diria que a Holanda é especializada em robótica?

A Holanda como um todo está definitivamente fazendo avanços significativos quando se trata de robótica. O país é conhecido há muito tempo por contribuir para a robótica médica, aprendizado de robôs e robótica móvel, para citar alguns. Gosto de pensar que, por meio deste projeto e suas colaborações internacionais, também fizemos avanços significativos na robótica com consciência de impacto.

Esta área de pesquisa, que poderíamos dizer que se originou aqui, atraiu atenção e reconhecimento global. Nosso projeto desempenhou um papel fundamental em trazer o assunto à tona, e é gratificante ver que nosso trabalho foi bem recebido e reconhecido, inclusive em publicações recentes.

O projeto está pronto. Como é o futuro para você?

Continuarei investigando e explorando novas oportunidades, incluindo financiamento nacional e europeu. Estou considerando projetos de acompanhamento com foco em áreas que não pudemos abordar durante este, como planejamento rápido e percepção. Também ainda estou em contato próximo com empresas locais e internacionais para explorar mais oportunidades de colaboração. Alguns dos muitos alunos envolvidos no projeto foram contratados em empresas que eram parceiras no projeto: as coisas estão crescendo na direção certa. A visibilidade que este projeto gerou é desafiadora e emocionante ao mesmo tempo. Embora isso signifique fazer malabarismos com mais tarefas, também estou ansioso para ver o que o futuro reserva.