Um truque simples transforma robôs de quatro patas em robôs de duas pernas com braços
A palavra quadrúpede significa, tecnicamente, “quatro pés”. Os roboticistas tendem a aplicar o termo a qualquer coisa que use quatro membros para andar, diferenciando-o dos robôs bípedes, que andam sobre dois membros. Mas há um cruzamento enorme e embaçado, tanto na robótica quanto na biologia, onde você encontra animais (e ocasionalmente robôs) que podem fazer a transição de quadrúpede para bípede quando precisam (por exemplo) manipular algo.
Se você olhar para os robôs quadrúpedes simplesmente como robôs com quatro membros em vez de robôs com quatro pés, eles começam a parecer muito mais versáteis, mas essa transição pode ser complicada. Na Conferência Internacional IEEE/RSJ 2022 sobre Robôs e Sistemas Inteligentes (IROS 2022) em Kyoto, Japão, na semana passada, pesquisadores do Worcester Polytechnic Institute (WPI), em Massachusetts, e da ShanghaiTech University apresentaram um método generalizável pelo qual um O robô quadrúpede de prateleira pode se transformar em um bípede com algum software inteligente e um pouco de modificação mecânica.
Já vimos robôs que podem fazer a transição de quadrúpede para bípede antes, mas quase sempre são projetados de forma muito deliberada para poder fazer isso e pagam uma penalidade em peso, complexidade e custo. O que é único nesta pesquisa é que ela se destina a ser aplicada a qualquer quadrúpede – com algum hardware muito menor, seu quadrúpede também pode se tornar um bípede.
O lado mecânico dessa bipedalização é um bastão impresso em 3D que é instalado na canela de cada uma das patas traseiras do quadrúpede. Isso fornece suporte adicional para que o robô possa ficar de pé e andar de forma robusta – sem os acessórios de canela, o robô não seria estaticamente estável. Isso é especialmente útil quando o robô fica em pé, pois seu centro de massa é totalmente suportado durante esse processo. O vídeo mostra isso trabalhando no que parece ser um robô Mini Cheetah, mas, novamente, a plataforma realmente não importa, desde que atenda a alguns requisitos básicos.
“Nós [procuramos] colher os benefícios de dois mundos: estabilidade e velocidade dos quadrúpedes, manipulabilidade e ganho de altura operacional dos bípedes.”
?Andre Rosendo, Instituto Politécnico de Worcester
Uma vez que o robô está na posição vertical, andar vem de uma política que é treinada primeiro em simulação e depois transferida para o robô real. Isso não é trivial, porque o controlador está tentando fazer o robô andar e não cair, o que é um pouco contraditório, mas a política de melhor desempenho foi capaz de fazer o robô andar por vários metros. É importante lembrar que este é um robô que não foi projetado para andar de forma bípede, então, em certo sentido, você tem um software lutando para fazer o hardware funcionar de uma maneira que não deveria e certamente não está otimizada por. Talvez se esse tipo de coisa pegar, designers quadrúpedes possam receber incentivos para construir um pouco de flexibilidade extra em suas plataformas para torná-las mais adaptáveis.
Para saber mais sobre essa pesquisa, o IEEE Spectrum conversou com Andre Rosendo, que agora é professor do WPI.
Fundamentalmente, existe uma diferença entre um robô de quatro patas e um robô de quatro membros?
Andre Rosendo: Como visto na natureza, a locomoção quadrúpede permite velocidades mais altas, e o robô é visivelmente mais rápido quando se move com quatro patas. Dito isso, os benefícios relacionados à manipulabilidade observados nessa transição animal de quatro para duas pernas (por exemplo, Australopithecus usando as mãos para levar comida à boca) também são verdadeiros para os robôs. Atualmente, estamos desenvolvendo um “efetor final variante” para os membros anteriores para permitir que este robô quadrúpede se torne um “manipulador de dois braços” quando estiver em pé, manuseando objetos e operando ambientes.
Por que você decidiu por esse sistema específico para permitir a transição bípede?
Rosendo: Percebemos que é bastante fácil adaptar as patas traseiras de um robô quadrúpede com estrutura fixa, com pouca queda no desempenho. Embora não seja tão esteticamente agradável quanto uma estrutura ativa, os avanços nos materiais hoje em dia nos permitem usar um pequeno elo de fibra de carbono saindo da perna para imitar a mesma estabilidade passiva que nossos pés nos dão (conhecido na locomoção com pernas como o polígono da estabilidade) . Um sistema retrátil ativo, por outro lado, adicionaria um pequeno motor à perna, aumentando o momento de inércia dessa perna durante a locomoção, afetando negativamente o desempenho.
Quais são as limitações para o desempenho de caminhada deste sistema?
Rosendo: Treinamos o robô em um ambiente simulado, e a marcha, depois de transferida para o mundo real, é estável, embora lenta. Robôs bípedes costumam ter mais graus de liberdade nas pernas para permitir uma locomoção mais dinâmica e adaptativa, mas no nosso caso, estamos focando no aspecto multimodal para colher os benefícios de dois mundos: estabilidade e velocidade dos quadrúpedes, manipulabilidade e ganho em altura operacional de bípedes.
Em que você irá trabalhar em seguida?
Rosendo: Nossos próximos passos… serão no desenvolvimento da manipulação deste robô. Mais especificamente, temos nos feito a pergunta: “Agora que podemos nos levantar, o que podemos fazer que outros robôs não podem?”, e já temos alguns resultados preliminares sobre escalar lugares mais altos que o centro de gravidade de o próprio robô. Após alterações mecânicas nos membros anteriores, avaliaremos melhor o manuseio complexo que pode exigir as duas mãos ao mesmo tempo, o que é raro nos robôs móveis atuais.
A estrutura de locomoção com pernas multimodal com aprendizado de reforço residual automatizado, de Chen Yu e Andre Rosendo da ShanghaiTech University, foi apresentada esta semana na IROS 2022 em Kyoto, Japão. Mais detalhes estão disponíveis no Github.
Publicado em 10/11/2022 21h27
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