Un robot de dos patas imita el equilibrio humano mientras corre y salta



Salvar a las víctimas de un edificio en llamas, un derrame de productos químicos o cualquier desastre inaccesible para los humanos podría algún día ser una misión para robots resistentes y adaptables. Imagine, por ejemplo, robots que salvan vidas y que pueden colarse entre los escombros de cuatro patas, luego pararse sobre dos patas para despejar un obstáculo pesado o perforar una puerta cerrada.

Los ingenieros están avanzando en el diseño de robots de cuatro patas y su capacidad para correr, saltar e incluso retroceder. Pero lograr que los robots humanoides de dos patas ejerzan fuerza o empujen contra algo sin caerse es un gran obstáculo.

Hoy, los ingenieros del MIT y la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign han ideado un método para controlar el equilibrio en un robot de dos pies y teleoperado: Un paso esencial para permitir que un humanoide realice tareas de alto impacto en entornos hostiles.

El robot del equipo, que físicamente se asemeja a un torso y dos piernas mecanizadas, es controlado remotamente por un operador humano que usa un chaleco que transmite información sobre el movimiento humano y las fuerzas de reacción del suelo al robot.

A través del chaleco, el operador humano puede dirigir la locomoción del robot y sentir sus movimientos. Si el robot comienza a inclinarse, el humano siente un tirón correspondiente en el chaleco y puede ajustarse para reequilibrar y sincronizar el robot.

Durante los experimentos realizados con el robot para probar este nuevo enfoque de "retorno del equilibrio", los investigadores pudieron mantener el equilibrio del robot a distancia mientras saltaba y caminaba en el lugar en sincronización con su operador humano.

"Es como correr con una mochila grande: puedes sentir cómo se mueve la dinámica de la mochila a tu alrededor y puedes compensarlo adecuadamente", dice Joao Ramos, quien desarrolló el enfoque postdoc del MIT. "Ahora, si quieres abrir una puerta pesada, el hombre puede ordenarle al robot que tire su cuerpo contra la puerta y la abra, sin perder el equilibrio".

Ramos, quien ahora es profesor adjunto en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, detalló el enfoque en un estudio publicado hoy en Ciencia robótica. Su coautor del estudio es Sangbae Kim, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT.

Mas que el movimiento

Anteriormente, Kim y Ramos habían construido el robot HERMES (para mecanismos robóticos altamente eficientes y el sistema electromecánico) y habían desarrollado métodos para imitar los movimientos de un operador a través de la teleoperación, un enfoque que, según investigadores, presenta algunas ventajas humanísticas.

"Debido a que tiene una persona que puede aprender y adaptarse sobre la marcha, un robot puede realizar movimientos que nunca antes había hecho (mediante teleoperación)", dice Ramos.

Durante las manifestaciones, HERMES vertió café en una taza, blandió un hacha para cortar madera y manipuló un extintor para extinguir un incendio.

Todas estas tareas involucraban la parte superior del cuerpo del robot y algoritmos para hacer coincidir el posicionamiento del miembro del robot con el de su operador. HERMES pudo realizar movimientos de alto impacto porque el robot estaba enraizado. El equilibrio, en estos casos, era mucho más simple de mantener. Sin embargo, si el robot tuviera que actuar, probablemente habría cambiado para intentar reproducir los movimientos del operador.

"Entendimos que para generar altas fuerzas o mover objetos pesados, no sería suficiente copiar movimientos, porque el robot se caería fácilmente", dice Kim. "Tuvimos que copiar el saldo dinámico del operador".

Ingrese Little HERMES, una versión en miniatura de HERMES que tiene aproximadamente un tercio del tamaño de un adulto humano promedio. El equipo diseñó el robot como un solo torso y dos piernas, y diseñó especialmente el sistema para probar las tareas de la parte inferior del cuerpo, como la locomoción y el equilibrio. En cuanto a su contraparte completa, Little HERMES está diseñado para la teleoperación, con un operador equipado con un chaleco para controlar las acciones del robot.

Para que el robot pueda copiar el saldo del operador en lugar de sus movimientos, el equipo tuvo que encontrar primero una forma simple de representar la escala. Ramos finalmente se dio cuenta de que el equilibrio se podía reducir a dos ingredientes principales: el centro de gravedad y el centro de presión de una persona, un punto en el suelo donde la fuerza es equivalente a todas las fuerzas Se ejerce el apoyo.

Según Ramos, la ubicación del centro de masa en relación con el centro de presión se relaciona directamente con el equilibrio de una persona en un momento dado. También descubrió que la posición de estos dos ingredientes podría representarse físicamente como un péndulo invertido. Imagínese balanceándose de un lado a otro mientras permanece anclado en el mismo lugar. El efecto es similar al giro de un péndulo invertido, el extremo superior representa un centro de masa del hombre (generalmente en el torso) y la parte inferior representa su centro de presión sobre el suelo.

Levantar cargas pesadas

Para definir el vínculo entre el centro de masa y el centro de presión, Ramos recopiló datos sobre movimientos humanos, incluidas mediciones en el laboratorio, donde se balanceaba de un lado a otro, caminaba en el sitio y saltaba sobre Una placa de fuerza que mide las fuerzas ejercidas en el suelo. , ya que se registraron la posición de sus pies y su torso. Luego condensó estos datos en medidas del centro de masa y del centro de presión, y desarrolló un modelo para representarlos en relación entre sí, en forma de péndulo invertido. .

Luego desarrolló un segundo modelo, similar al modelo de equilibrio humano, pero adaptado a las dimensiones del robot más pequeño y ligero, y desarrolló un algoritmo de control para conectar y generar una retroalimentación. información entre los dos modelos.

Los investigadores probaron este modelo de retroalimentación de equilibrio, primero en un péndulo invertido simple que habían construido en el laboratorio, en forma de una viga de la misma altura que Little HERMES. Conectaron el rayo a su sistema de teleoperación, que oscilaba a lo largo de una pista en respuesta a los movimientos del operador. Justo cuando el operador se balanceaba hacia un lado, la viga hacía lo mismo, un movimiento que también podía sentir a través del chaleco. Si el rayo se balanceaba demasiado, el operador, al sentir el tirón, podría inclinarse en la otra dirección para compensar y mantener el rayo en equilibrio.

Los experimentos han demostrado que el nuevo modelo de retroalimentación puede funcionar para mantener el equilibrio en la viga. Luego, los investigadores probaron el modelo en Little HERMES. También desarrollaron un algoritmo que permite al robot traducir automáticamente el modelo simple de equilibrio a las fuerzas que cada uno de sus pies debería generar, para copiar los pies del operador.

En el laboratorio, Ramos descubrió que al usar el chaleco, no solo podía controlar los movimientos y el equilibrio del robot, sino también sentir los movimientos del mismo. Cuando el robot fue golpeado con un martillo en diferentes direcciones, Ramos sintió que el chaleco se movía en la dirección en la que se había movido el robot. Ramos resistió instintivamente el tirón, que el robot registró como un desplazamiento sutil del centro de masa del centro de presión, que luego imitó. El resultado fue que el robot no pudo balancearse, incluso entre golpes repetidos en su cuerpo.

Los pequeños HERMES también imitaron a Ramos en otros ejercicios, como correr y saltar en el lugar, y caminar en terreno irregular, todo mientras mantenía el equilibrio, sin la ayuda de sujetadores o soportes.

"El equilibrio es difícil de definir porque es algo que hacemos sin pensar", dice Kim. "Esta es la primera vez que la retroalimentación de equilibrio se define correctamente para acciones dinámicas. Esto cambiará la forma en que controlamos un humanoide teleoperado.

Kim y Ramos continuarán trabajando en el desarrollo de un humanoide integral con un control de equilibrio similar para que algún día podamos galopar en un área de desastre y levantarnos para esquivar los obstáculos. como parte de misiones de rescate o rescate.

"Ahora podemos abrir las puertas con fuerza, levantar o tirar objetos pesados ​​mientras mantenemos una comunicación equilibrada", dice Kim.

Esta investigación fue financiada en parte por Hon Hai Precision Industry Co. Ltd. y Naver Labs Corporation.

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