Equipe projeta robôs para ajudar na habitação humana no espaço

Nas próximas décadas, a NASA planeia enviar tripulações humanas de volta à Lua, construir uma estação espacial em órbita lunar, estabelecer uma base permanente na superfície lunar e – esperançosamente – enviar astronautas para Marte.

O que poderia dar errado?

Não, sério, o que poderia dar errado e como poderíamos consertar isso? Essa é a pergunta que um grupo de pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson tem feito nos últimos quatro anos como parte de um instituto de pesquisa para desenvolver espaços profundos resilientes e autônomos e habitações extraterrestres.

O instituto Resilient ExtraTerrestrial Habitats (RETHi) é liderado pela Purdue University, em parceria com a SEAS, a Universidade de Connecticut e a Universidade do Texas em San Antonio. Seu objetivo é “projetar e operar habitats resilientes no espaço profundo que possam se adaptar, absorver e se recuperar rapidamente de perturbações esperadas e inesperadas”.

Justin Werfel, pesquisador sênior em robótica da SEAS, está liderando a equipe encarregada de desenvolver tecnologias para permitir que robôs autônomos reparem ou substituam componentes danificados em um habitat.

“O que acontece se um meteorito violar o habitat entre as missões e a tripulação não estiver lá para consertar?”, perguntou Werfel. “Ou, se isso acontecer durante um período com tripulação, os astronautas podem estar ocupados com outras emergências. Da mesma forma, em situações mais rotineiras; há muitas tarefas regulares de manutenção que ocupam um tempo valioso dos astronautas, desde a substituição de filtros até a limpeza de coisas. Você Eu realmente gostaria que o habitat fosse capaz de lidar com o máximo possível sozinho, o que significa que robôs fariam esse trabalho.”

Desde que o projeto começou em 2019, Werfel e a equipe, que inclui Robert Wood, professor de Engenharia e Ciências Aplicadas Harry Lewis e Marlyn McGrath no SEAS, desenvolveram novos braços e garras robóticos, novos sistemas para melhorar a colaboração homem-robô e novos maneiras de projetar equipamentos compatíveis com robôs.

Ferramentas multifuncionais

Um dos maiores desafios no projeto de robôs para os chamados SmartHabs é a multifuncionalidade necessária para a habitação no espaço profundo. A maioria dos robôs industriais, como aqueles usados ​​para construir carros ou armazéns de estoque, são altamente especializados e executam apenas algumas tarefas específicas. Mas os habitats do espaço profundo não terão espaço para dezenas de robôs especializados. Em vez disso, um ou alguns robôs multifuncionais precisarão ser capazes de realizar muitas tarefas diferentes, incluindo reparos de emergência.

Um projeto nesse sentido tem sido o desenvolvimento de pinças multimodo que podem mudar sua forma para agarrar diferentes tipos de objetos de diferentes maneiras.

“As mãos humanas podem se adaptar a muitas funções, incluindo aquelas que necessitam de alta precisão, exigem grandes forças ou aquelas que podem se beneficiar da conformidade”, disse Wood. “Este projeto tenta capturar um comportamento adaptável análogo para aumentar a gama de tarefas possíveis com uma única garra.”

Num artigo publicado em IEEEWerfel e a equipe, que inclui colaboradores da Harvard Graduate School of Design (HGSD) e da Pusan ​​National University, na Coreia do Sul, desenvolveram uma pinça com dedos feitos dos chamados elos de tesoura, que podem ser reconfigurados para alterar o número de juntas. no dedo.

Esta pinça possui três modos. No primeiro, os dedos são curtos e não dobram, permitindo-lhes agarrar objetos com força e segurança. No segundo modo, os dedos ganham uma articulação para permitir que a pinça realize a manipulação manual, permitindo mover e girar objetos sem soltá-los. O último modo adiciona mais duas articulações, permitindo que os dedos se adaptem passivamente ao formato de um objeto e distribuam a pressão de contato, o que é útil para agarrar objetos delicados ou de formato irregular.

Este artigo foi coautor de Junghan Kwon, da Universidade Nacional de Pusan; os alunos de pós-graduação do SEAS, David Bombara e Clark Teeple; Joonhaeng Lee e Chuck Hoberman da HGSD; e Madeira.

Trabalhando em um espaço apertado

Os primeiros SmartHabs provavelmente não serão maiores do que uma casa móvel e estarão repletos de equipamentos. Os robôs macios podem ser mais seguros para operar perto de humanos do que os rígidos tradicionais, e podem deformar-se para se espremerem mais facilmente em espaços apertados, mas a suavidade também significa que lhes falta a força necessária para alguns dos trabalhos que são chamados a fazer.

Para enfrentar esse desafio, a equipe de robótica da RETHi projetou um braço robótico macio que pode ser enrijecido para aumentar sua força e capacidade de carga útil.

A pesquisa foi publicada em Robótica Científica.

A equipe SEAS, que incluía Wood, Teeple, ex-bolsista de graduação e pós-doutorado da SEAS Daniel Bruder, e o estudante de pós-graduação Moritz Graule, projetou um braço flexível com dois segmentos controlados individualmente.

Cada segmento consiste em articulações moles, que individualmente possuem apenas uma pequena amplitude de movimento, mas juntas podem dobrar o braço em 90 graus. Alguns atuadores colocados ao longo da coluna e das articulações podem induzir enrijecimento localizado do corpo, o que permite ao braço pegar ou mover um objeto pesado.

“Esta abordagem de design pode levar a braços robóticos muito mais capazes, capazes de navegar em ambientes ricos em obstáculos de habitats do espaço profundo, enquanto interagem com segurança com tripulantes humanos e objetos delicados”, disse Bruder.

Algumas tarefas exigirão esforço cooperativo, como a movimentação de equipamentos grandes ou pesados, como painéis solares e antenas parabólicas. Para permitir que os astronautas obtenham facilmente ajuda de robôs nessas tarefas, Werfel e Nicole Carey, ex-bolsista de pós-doutorado no SEAS, projetaram uma maneira de robôs autônomos seguirem a orientação humana sem precisar saber sobre os detalhes da tarefa ou objetivo, simplesmente detectando força aplicada a um objeto.

Por exemplo, se um astronauta precisasse de ajuda para mover um painel solar, ele poderia colocar a mão no painel e guiar os robôs na direção certa, sem a necessidade explícita de informar os robôs sobre sua intenção.

“Neste caso, o objeto compartilhado que está sendo manipulado atua como um canal físico de coordenação”, disse Carey. “O líder humano pode aplicar uma força e os robôs seguem isso como um sinal.”

Um habitat amigável para robôs

Robôs que possam realizar tarefas projetadas para humanos são um dos objetivos de longo prazo da robótica – mas será necessário muito tempo e muito trabalho para alcançá-lo. Existe uma maneira de permitir que os robôs atuais ajudem mais cedo, projetando equipamentos tendo os robôs em mente?

Esse é outro caminho explorado por Werfel e pela equipe de robótica RETHi.

“Em vez de elevar o robô ao nível do humano, pretendemos reduzir as tarefas ao nível do robô e construir algo que tanto os robôs quanto os humanos possam operar facilmente”, disse Werfel.

Num artigo de 2022, Werfel, Teeple e Nathan Melenbrink, antigo pós-doutorando no SEAS, expuseram estratégias para projetar hardware compatível com robôs, incluindo a consolidação de ações compostas em mecanismos mais simples e a restrição dos movimentos necessários a um único eixo.

A equipe redesenhou vários equipamentos importantes, incluindo um componente de filtragem de água, para facilitar o reparo dos robôs.

“Semelhante à abordagem de design ergonômico para humanos, nossa abordagem de design de fatores robóticos leva em consideração as capacidades atuais do robô durante o processo de design”, disse Melenbrink. “Pegamos hardware que anteriormente exigia manipulação hábil com as duas mãos e o redesenhamos para que toda a tarefa pudesse ser concluída por um único braço robótico com uma pinça padrão de mandíbula paralela.”

À medida que o RETHi entra no último ano de concessão, a equipe de robótica do SEAS colocará suas tecnologias à prova, em uma simulação física e virtual combinada do cenário de remendar um buraco deixado pelo impacto de um meteorito.

“Tudo o que a RETHi está fazendo é criar ferramentas para futuros designers de habitat”, disse Werfel. “O objetivo é dar-lhes mais opções para o que seus sistemas podem lidar, melhores previsões de custos quando as coisas dão errado em sistemas de componentes altamente interconectados com dependências complexas, e uma maior capacidade de projetar habitats que possam lidar com qualquer sorte que lhes aconteça. … Não será possível que as missões evitem completamente os problemas, por isso será a capacidade da nossa tecnologia de lidar com os problemas à medida que surgirem que tornará a viagem humana ao espaço profundo uma realidade.”