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Universidad Carnegie Mellon, Pittsburgh, Pensilvania

Investigadores del Instituto de Robótica (RI) de la Universidad Carnegie Mellon han diseñado un sistema que hace que un robot cuadrúpedo disponible en el mercado sea lo suficientemente ágil como para caminar sobre una estrecha barra de equilibrio, una hazaña que probablemente sea la primera de su tipo.

"Este experimento fue enorme", dijo Zachary Manchester, profesor asistente en RI y director del Laboratorio de Exploración Robótica. "No creo que nadie haya logrado caminar con éxito en una barra de equilibrio con un robot antes".

Al aprovechar el hardware que se utiliza a menudo para controlar satélites en el espacio, Manchester y su equipo compensaron las limitaciones existentes en el diseño del cuadrúpedo para mejorar sus capacidades de equilibrio.

Los elementos estándar de la mayoría de los robots cuadrúpedos modernos incluyen un torso y cuatro patas, cada una de las cuales termina en un pie redondeado, lo que permite al robot atravesar superficies básicas y planas e incluso subir escaleras. Su diseño se asemeja a un animal de cuatro patas, pero a diferencia de los guepardos que pueden usar sus colas para controlar giros bruscos o los gatos que caen y ajustan su orientación en el aire con la ayuda de sus espinas flexibles, los robots cuadrúpedos no tienen tanta agilidad instintiva.

Mientras tres de los pies del robot permanezcan en contacto con el suelo, podrá evitar que se vuelque. Pero si sólo hay uno o dos pies en el suelo, el robot no puede corregir fácilmente las perturbaciones y tiene un riesgo mucho mayor de caer. Esta falta de equilibrio hace que caminar sobre terrenos accidentados sea especialmente difícil.

"Con los métodos de control actuales, el cuerpo y las piernas de un robot cuadrúpedo están desacoplados y no se hablan entre sí para coordinar sus movimientos", dijo Manchester.

"Entonces, ¿cómo podemos mejorar su equilibrio?"

La solución del equipo emplea un sistema de actuador de rueda de reacción (RWA) que se monta en la parte posterior de un robot cuadrúpedo. Con la ayuda de una novedosa técnica de control, el RWA permite que el robot se equilibre independientemente de la posición de sus pies.

Los RWA se utilizan ampliamente en la industria aeroespacial para realizar control de actitud en satélites mediante la manipulación del momento angular de la nave espacial.

"Básicamente, tienes un gran volante con un motor adjunto", dijo Manchester, quien trabajó en el proyecto con el estudiante graduado de RI Chi-Yen Lee y los estudiantes graduados en ingeniería mecánica Shuo Yang y Benjamin Boksor. “Si haces girar el pesado volante en una dirección, el satélite girará en la otra dirección. Ahora toma eso y ponlo en el cuerpo de un robot cuadrúpedo”.

El equipo creó un prototipo de su enfoque montando dos RWA en un robot comercial Unitree A1, uno en el eje de cabeceo y otro en el eje de balanceo, para proporcionar control sobre el momento angular del robot. Con el RWA, no importa si las piernas del robot están en contacto con el suelo o no porque los RWA proporcionan control independiente de la orientación del cuerpo.

Manchester dijo que era fácil modificar un marco de control existente para tener en cuenta los RWA porque el hardware no cambia la distribución de masa del robot ni tiene las limitaciones articulares de una cola o una columna. Sin necesidad de tener en cuenta tales limitaciones, el hardware puede modelarse como un girostato (un modelo idealizado de una nave espacial) e integrarse en un algoritmo de control predictivo de modelo estándar.

El equipo probó su sistema con una serie de experimentos exitosos que demostraron la capacidad mejorada del robot para recuperarse de impactos repentinos. En la simulación, imitaron el clásico problema del gato que cae al dejar caer al robot boca abajo desde casi medio metro, y los RWA permitieron que el robot se reorientara en el aire y aterrizara sobre sus pies. En cuanto al hardware, demostraron la capacidad del robot para recuperarse de perturbaciones, así como la capacidad de equilibrio del sistema, con un experimento en el que el robot caminaba a lo largo de una barra de equilibrio de 6 centímetros de ancho.

Manchester predice que los robots cuadrúpedos pronto pasarán de ser principalmente plataformas de investigación en laboratorios a productos de uso comercial ampliamente disponibles, similar a lo que eran los drones hace unos 10 años. Y con un trabajo continuo para mejorar las capacidades estabilizadoras de un robot cuadrúpedo para que coincida con los animales instintivos de cuatro patas que inspiraron su diseño, podrían usarse en escenarios de alto riesgo como la búsqueda y el rescate en el futuro.

Para obtener más información, comuníquese con Aaron Aupperlee en Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Necesita activar JavaScript para verlo.; 412-268-9068.

Este artículo apareció por primera vez en la edición de agosto de 2023 de la revista Motion Design.

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