Quem já tentou usar uma máquina de pegar bichinhos de pelúcia em um fliperama sabe o quão difícil é puxar e empurrar os joysticks na medida certa para que o braço mecânico pegue aquele brinquedo especial. Coordenar os joysticks e sincronizar seus movimentos com os da garra é um tipo de "mapeamento mental" que não é imediatamente intuitivo. (E é nisso que os donos de fliperamas confiam para fazer os jogadores voltarem sempre). 

Na verdade, a mecânica de uma máquina de garra é bastante semelhante à de uma escavadeira: o operador usa joysticks para controlar a lança, o braço e a caçamba da escavadeira, além da direção da cabine. Mas as manobras de uma escavadeira são muito mais complexas do que qualquer coisa que uma máquina de garra de fliperama possa fazer. Os operadores precisam aprender mapas mentais mais complexos para direcionar uma escavadeira a mover pedras, nivelar o solo, remover entulhos e cavar fundações, entre outras tarefas essenciais no local da obra. De fato, muitas vezes leva anos para os operadores adquirirem a experiência necessária para manobrar essas máquinas pesadas.

Engenheiros do MIT estão buscando reduzir a curva de aprendizado para operadores de escavadeiras com uma nova interface de treinamento. Em vez de usar joysticks, a equipe projetou um controlador mais intuitivo, que se assemelha a um braço e uma caçamba de escavadeira em miniatura. Os aprendizes seguram o dispositivo e usam o braço e a mão para fazê-lo se mover como uma escavadeira de verdade. Uma escavadeira digital projetada em uma tela imersiva de seis elementos espelha os movimentos do aprendiz em um ambiente virtual.

“Esta é uma forma mais intuitiva de comandar a máquina”, diz Hermano Krebs, pesquisador principal do Departamento de Engenharia Mecânica do MIT. “Com essa nova interface, podemos eliminar muitos dos mapas mentais que um operador precisaria construir para operar uma escavadeira.” 

Krebs vê a interface como uma forma mais rápida de treinar operadores de escavadeiras, bem como uma nova maneira de operar fisicamente as máquinas, tanto no local quanto remotamente. 

“Em vez de joysticks, você poderia ter um braço em miniatura na lateral, onde o operador colocaria o próprio braço, como uma espécie de exoesqueleto, que permitiria operar a escavadeira da cabine”, diz Krebs. “Se o trabalho precisar ser feito em um ambiente difícil ou inseguro, um operador poderia estar em um trailer fora do local e usar esse braço para operar a escavadeira remotamente.”

A equipe divulga seus resultados de acesso aberto esta semana no Journal of Computing and Civil Engineering . Os coautores do MIT incluem Moises Alencastre-Miranda, Joao Buzzatto e Eran Beeri Bamani, juntamente com colaboradores da Sumitomo Heavy Industries, uma fabricante de máquinas industriais com sede no Japão. 

No MIT, o grupo de Krebs trabalha com interações humano-robô, com foco de longa data em reabilitação física. Por meio desse trabalho, a equipe acumulou conhecimento sobre as maneiras pelas quais os humanos controlam seus membros e como podem interagir de forma mais intuitiva com as máquinas. 

Em 2018, Krebs iniciou uma colaboração com pesquisadores da Sumitomo Heavy Industries, que buscavam uma maneira mais rápida de treinar operadores de escavadeiras. Eles observaram que, no Japão, a população de operadores de máquinas pesadas está envelhecendo rapidamente; treinar seus substitutos leva tempo. 

Normalmente, os operadores aprendem dirigindo escavadeiras reais em um percurso controlado. Ao operar a máquina, os novatos precisam aprender a relacionar as ações dos joysticks da escavadeira com os movimentos do braço, da caçamba e da cabine. Coordenar essas ações para executar tarefas reais adiciona um nível extra de complexidade que pode levar meses ou até anos para ser dominado. 

A equipe raciocinou que, se conseguissem eliminar a necessidade desse mapa mental, poderiam encurtar significativamente o processo de treinamento. Para isso, buscaram uma maneira mais natural de controlar a máquina, como alternativa aos joysticks tradicionais. Logo chegaram ao projeto do braço mecânico, considerando que a semelhança física com o braço e a caçamba da escavadeira permitiria aos operadores imitar e controlar os movimentos da máquina diretamente, sem muita necessidade de adaptação mental. 

Nos anos seguintes, os pesquisadores trabalharam na construção do braço mecânico, juntamente com o software para sincronizar seus movimentos com uma simulação virtual de uma escavadeira. A combinação do braço mecânico e do simulador virtual constitui uma nova plataforma de treinamento e controle para operadores de escavadeiras, que a equipe denominou "Interface Espaço-Mundo".

“'Espaço-mundo' refere-se a tudo no mundo que está fora de você, ou, neste caso, fora da cabine da escavadeira”, explica Krebs. “Normalmente, os operadores precisam construir um mapa mental de como manipular as coisas no espaço-mundo. Mas agora, podemos simplesmente simular o ato de pegar pedras ou terra, e o computador fará essa tradução para o espaço-mundo por nós.”

Para o novo estudo, a equipe realizou experimentos de treinamento com voluntários que utilizaram a Interface Espaço-Mundo (WSI, na sigla em inglês), bem como um simulador de escavadeira mais tradicional, baseado em joystick. Os pesquisadores desenvolveram simulações virtuais de 15 ambientes de escavação realistas, incluindo canteiros de obras, rodovias, estradas florestais, margens de rios, áreas de mineração e ambientes urbanos e rurais. Cada ambiente virtual foi associado a diversas tarefas de escavação, como escavar e despejar areia ou cascalho, cavar e nivelar valas, remover detritos de estradas, retirar galhos de árvores das margens de corpos d'água e quebrar rochas. 

A equipe projetou o experimento para simular as tarefas que um operador normalmente realiza durante um curso de condução de escavadeira com duração de uma semana. Durante uma hora por dia, durante sete dias, voluntários — tanto experientes quanto novatos — operaram o simulador de movimento da máquina (WSI) e o joystick correspondente, treinando em tarefas com dificuldade crescente. 

Em seguida, os pesquisadores compararam o desempenho dos voluntários antes e depois do período de treinamento. No simulador de joystick, eles descobriram que os novatos apresentavam desempenho consistentemente pior do que os especialistas, embora tenham melhorado ao longo do período de treinamento. Em contrapartida, a equipe constatou que, com a nova Interface Espaço-Mundo, os novatos se mostraram tão bons quanto os especialistas desde o início. 

A equipe agora está trabalhando para adicionar feedback háptico, ou seja, sensação, ao braço físico do WSI. A ideia é que, conforme o operador usa o braço para simular uma ação, como pegar uma pilha de pedras, o braço gere uma força em resposta, como se o operador pudesse sentir o peso das pedras, confirmando que a escavadeira está realmente as levantando. 

“A tecnologia háptica tornaria este sistema ainda mais intuitivo”, afirma o coautor e engenheiro visitante Solmon Jeong.

A equipe afirma que a nova interface de treinamento pode ser uma alternativa mais natural aos simuladores de escavadeira que a indústria da construção civil está explorando atualmente. Empresas como Caterpillar, Hyundai e Komatsu estão desenvolvendo simuladores virtuais, tanto para auxiliar no treinamento de operadores antes de irem para o canteiro de obras, quanto para, futuramente, controlar escavadeiras remotamente. No entanto, esses simuladores são baseados, em grande parte, em joysticks tradicionais que ainda exigem tempo de aprendizado. 

Se o novo controlador de braço e caçamba da equipe fosse incorporado como um apêndice na cabine de uma escavadeira ou em um simulador virtual de teleoperação, os pesquisadores preveem que até mesmo operadores iniciantes poderiam começar a trabalhar desde o primeiro dia. 

Esta pesquisa foi parcialmente financiada pela Sumitomo Heavy Industries.