Equipe projeta sistema robótico de quatro patas que pode andar em uma trave de equilíbrio

Pesquisadores do Instituto de Robótica da Carnegie Mellon University (RI) 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 provavelmente é o primeiro desse tipo.

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

Para o conhecimento da equipe, esta é a primeira instância de um quadrúpede caminhando com sucesso em uma trave de equilíbrio estreita. Seu artigo, “Equilíbrio aprimorado para robôs com pernas usando rodas de reação”, foi aceito na Conferência Internacional de Robótica e Automação de 2023. A conferência anual será realizada de 29 de maio a 2 de junho, em Londres.

Aproveitando o hardware frequentemente usado para controlar satélites no espaço, Manchester e sua equipe compensaram as restrições existentes no design do quadrúpede para melhorar suas capacidades de equilíbrio.

Os elementos padrão da maioria dos robôs quadrúpedes modernos incluem um torso e quatro pernas que terminam em um pé arredondado, permitindo que o robô atravesse superfícies planas básicas e até suba escadas. Seu design se assemelha a um animal de quatro patas, mas ao contrário das chitas que podem usar suas caudas para controlar curvas fechadas ou gatos em queda que ajustam sua orientação no ar com a ajuda de suas espinhas flexíveis, os robôs quadrúpedes não têm essa agilidade instintiva. Enquanto três dos pés do robô permanecerem em contato com o solo, ele pode evitar tombar. Mas se apenas um ou dois pés estiverem no chão, o robô não pode corrigir facilmente os distúrbios e corre um risco muito maior de cair. Essa falta de equilíbrio torna a caminhada em terrenos acidentados particularmente difícil.

“Com os métodos de controle atuais, o corpo e as pernas de um robô quadrúpede são desacoplados e não se comunicam 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) que é 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 independente da posição de seus pés.

Os RWAs são amplamente utilizados na indústria aeroespacial para realizar o 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 aluno de pós-graduação do RI Chi-Yen Lee e os alunos de pós-graduação em engenharia mecânica Shuo Yang e Benjamin Boksor. “Se você girar o volante pesado para um lado, ele fará o satélite girar para o outro lado. Agora pegue isso e coloque-o no corpo de um robô quadrúpede.”

A equipe criou o 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, porque os RWAs fornecem controle independente da orientação do corpo.

Manchester disse que era fácil modificar uma estrutura de controle existente para contabilizar os RWAs porque o hardware não altera a distribuição de massa do robô, nem tem as limitações de articulação 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 clássico problema do gato caindo, derrubando o robô de cabeça para baixo de quase meio metro, com os RWAs permitindo que o robô se reorientasse no ar e aterrissasse em pé. No hardware, eles mostraram a capacidade do robô de se recuperar de distúrbios – bem como a capacidade de equilíbrio do sistema – com um experimento em que o robô caminhou ao longo de uma trave de equilíbrio de 6 centímetros de largura.

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

“Os quadrúpedes são a próxima grande novidade em robôs”, disse Manchester. “Acho que veremos muito mais deles na natureza nos próximos anos.”