Rescatar a las víctimas de un edificio en llamas, un derrame de productos químicos o cualquier desastre que sea inaccesible para los socorristas humanos podría algún día ser una misión para robots resilientes y adaptables. Imagine, por ejemplo, robots de rescate que puedan atravesar los escombros a cuatro patas, luego levántese sobre dos piernas para apartar un obstáculo pesado o atravesar una puerta cerrada.
Los ingenieros están avanzando en el diseño de robots de cuatro patas y su capacidad para correr, saltar e incluso hacer volteretas hacia atrás. Pero conseguir que los robots humanoides de dos patas ejerzan fuerza o empujen contra algo sin caerse ha sido un obstáculo importante.
Ahora, los ingenieros del MIT y la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign han desarrollado un método para controlar el equilibrio en un robot teleoperado de dos patas, un paso esencial para permitir que un humanoide lleve a cabo tareas de alto impacto en entornos desafiantes.
El robot del equipo, que se asemeja físicamente a un torso mecanizado y dos piernas, está controlado de forma remota por un operador humano que lleva un chaleco que transmite información sobre el movimiento del ser 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 los movimientos del robot. Si el robot comienza a volcarse, el humano siente un tirón correspondiente en el chaleco y puede ajustarse de manera que reequilibre tanto a sí mismo como a, sincrónicamente, el robot.
En experimentos con el robot para probar este nuevo enfoque de "retroalimentación del equilibrio", los investigadores pudieron mantener de forma remota el equilibrio del robot mientras saltaba y caminaba en sincronía con su operador humano.
"Es como correr con una mochila pesada: puedes sentir cómo la dinámica de la mochila se mueve a tu alrededor y puedes compensarlo adecuadamente", dice Joao Ramos, quien desarrolló el enfoque como un postdoctorado del MIT. "Ahora si quierespara abrir una puerta pesada, el humano puede ordenar al robot que lance su cuerpo hacia la puerta y la abra sin perder el equilibrio ".
Ramos, quien ahora es profesor asistente en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, ha detallado el enfoque en un estudio que aparece en Ciencia robótica . Su coautor del estudio es Sangbae Kim, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT.
más que movimiento
Anteriormente, Kim y Ramos construyeron el robot de dos patas HERMES para mecanismos robóticos altamente eficientes y sistema electromecánico y desarrollaron métodos para imitar los movimientos de un operador a través de la teleoperación, un enfoque que, según los investigadores, tiene ciertas ventajas humanísticas..
"Como tienes una persona que puede aprender y adaptarse sobre la marcha, un robot puede realizar movimientos que nunca antes había practicado [a través de la teleoperación]", dice Ramos.
En las demostraciones, HERMES ha vertido café en una taza, ha empuñado un hacha para cortar leña y ha manejado un extintor para apagar un incendio.
Todas estas tareas han involucrado la parte superior del cuerpo del robot y los algoritmos para hacer coincidir la posición de las extremidades del robot con la del operador. HERMES pudo realizar movimientos de alto impacto porque el robot estaba enraizado en su lugar. El equilibrio, en estos casos, fuemucho más simple de mantener. Sin embargo, si el robot tuviera que dar algún paso, probablemente se habría volcado al intentar imitar los movimientos del operador.
"Nos dimos cuenta de que para generar fuerzas elevadas o mover objetos pesados, simplemente copiar los movimientos no sería suficiente, porque el robot se caería fácilmente", dice Kim. "Necesitábamos copiar el equilibrio 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 simplemente como un torso y dos piernas, y diseñó el sistema específicamente para probar tareas de la parte inferior del cuerpo, comocomo locomoción y equilibrio. Al igual que su contraparte de cuerpo completo, Little HERMES está diseñado para la teleoperación, con un operador vestido con un chaleco para controlar las acciones del robot.
Para que el robot copiara el equilibrio del operador en lugar de solo sus movimientos, el equipo tenía que encontrar primero una forma sencilla de representar el equilibrio. Ramos finalmente se dio cuenta de que el equilibrio se podía reducir a dos ingredientes principales: el centro de masa de una persona y sucentro de presión: básicamente, un punto en el suelo donde se ejerce una fuerza equivalente a todas las fuerzas de apoyo.
La ubicación del centro de masa en relación con el centro de presión, encontró Ramos, 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 unapéndulo. Imagínese balanceándose de un lado a otro mientras permanece enraizado en el mismo lugar. El efecto es similar al balanceo de un péndulo invertido, el extremo superior representa el centro de masa de un ser humano generalmente en el torso y la parte inferior representa sucentro de presión en el suelo.
levantamiento pesado
Para definir cómo el centro de masa se relaciona con el centro de presión, Ramos recopiló datos de movimiento humano, incluidas las mediciones en el laboratorio, donde se balanceaba hacia adelante y hacia atrás, caminaba en su lugar y saltaba sobre una placa de fuerza que medía las fuerzas que ejercía sobreel suelo, ya que se registraron la posición de sus pies y torso. Luego condensó estos datos en medidas del centro de masa y el centro de presión, y desarrolló un modelo para representar cada uno en relación con el otro, como un péndulo invertido.
Luego desarrolló un segundo modelo, similar al modelo para el equilibrio humano pero escalado a las dimensiones del robot más pequeño y liviano, y desarrolló un algoritmo de control para vincular y permitir la retroalimentación entre los dos modelos.
Los investigadores probaron este modelo de retroalimentación de equilibrio, primero en un péndulo invertido simple que construyeron en el laboratorio, en forma de una viga de aproximadamente la misma altura que Little HERMES. Conectaron la viga a su sistema de teleoperación y se balanceó hacia atrásy hacia adelante a lo largo de una pista en respuesta a los movimientos de un operador. Cuando el operador se balanceaba hacia un lado, la viga hacía lo mismo, un movimiento que el operador también podía sentir a través del chaleco. Si la viga se balanceaba demasiado, el operador, sintiendo latirón, podría inclinarse hacia el otro lado para compensar y mantener el haz equilibrado.
Los experimentos mostraron que el nuevo modelo de retroalimentación podría funcionar para mantener el equilibrio en la viga, por lo que los investigadores probaron el modelo en Little HERMES. También desarrollaron un algoritmo para que el robot traduzca automáticamente el modelo simple de equilibrio a las fuerzas quecada uno de sus pies tendría que generar, para copiar los pies del operador.
En el laboratorio, Ramos descubrió que mientras usaba el chaleco, no solo podía controlar los movimientos y el equilibrio del robot, sino que también podía sentir los movimientos del robot. Cuando el robot fue golpeado con un martillo desde varias direcciones, Ramos sintió latirón del chaleco en la dirección en que se movía el robot. Ramos instintivamente resistió el tirón, que el robot registró como un cambio sutil en el centro de masa en relación con el centro de presión, que a su vez imitó. El resultado fue que el robot fue capaz deevitar que se vuelque, incluso en medio de repetidos golpes en el cuerpo.
El pequeño HERMES también imitó a Ramos en otros ejercicios, como correr y saltar en el lugar, y caminar sobre terreno irregular, todo mientras mantenía el equilibrio sin la ayuda de ataduras o soportes.
"La retroalimentación de equilibrio es algo 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 las acciones dinámicas. Esto cambiará la forma en que controlamos a un humanoide teleoperado".
Kim y Ramos continuarán trabajando en el desarrollo de un humanoide de cuerpo completo con un control de equilibrio similar, para poder algún día galopar a través de una zona de desastre y levantarse para empujar barreras como parte de las misiones de rescate.
"Ahora podemos abrir puertas pesadas o levantar o lanzar objetos pesados, con una comunicación de equilibrio adecuada", dice Kim.
Esta investigación fue apoyada, en parte, por Hon Hai Precision Industry Co. Ltd. y Naver Labs Corporation.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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