Tecnologia Científica

Movendo-se em direção ao primeiro robô humanoide voador
A equipe do IIT introduziu recentemente uma nova estrutura que pode estimar intensidades de empuxo de sistemas multicorpos voadores que não são equipados com sensores de medição de empuxo
Por Ingrid Fadelli - 21/12/2021


O robô iRonCub. Crédito: Istituto Italiano di Tecnologia.

Pesquisadores do Instituto Italiano de Tecnologia (IIT) têm explorado recentemente uma ideia fascinante, a de criar robôs humanoides que podem voar. Para controlar com eficiência os movimentos de robôs voadores, objetos ou veículos, no entanto, os pesquisadores precisam de sistemas que possam estimar com segurança a intensidade do empuxo produzido pelas hélices, o que lhes permite se mover pelo ar.

Como as forças de empuxo são difíceis de medir diretamente, geralmente são estimadas com base em dados coletados por sensores a bordo. A equipe do IIT introduziu recentemente uma nova estrutura que pode estimar intensidades de empuxo de sistemas multicorpos voadores que não são equipados com sensores de medição de empuxo. Essa estrutura, apresentada em um artigo publicado na IEEE Robotics and Automation Letters , poderia, em última análise, ajudá-los a realizar seu imaginário robô humanoide voador .

"Nossas primeiras ideias de fazer um robô humanoide voador surgiram por volta de 2016", disse Daniele Pucci, chefe do laboratório de Inteligência Artificial e Mecânica que realizou o estudo, ao TechXplore. "O objetivo principal era conceber robôs que pudessem operar em cenários semelhantes aos de desastres, onde há sobreviventes para resgatar dentro de prédios parcialmente destruídos, e esses prédios são de difícil acesso devido a potenciais inundações e incêndios ao redor deles."

O objetivo principal do trabalho recente de Pucci e seus colegas era conceber um robô capaz de manipular objetos, andar no solo e voar. Como muitos robôs humanoides podem tanto manipular objetos quanto se mover no solo, a equipe decidiu estender as capacidades de um robô humanoide para incluir o voo; em vez de desenvolver uma estrutura robótica inteiramente nova.

"Uma vez dotados de habilidades de voo, os robôs humanoides podem voar de um prédio para outro evitando destroços, incêndios e inundações", disse Pucci. "Após o pouso, eles podiam manipular objetos para abrir portas e fechar válvulas de gás, ou caminhar dentro de edifícios para inspeção interna, por exemplo, procurando por sobreviventes de um incêndio ou desastre natural."

Inicialmente, Pucci e seus colegas tentaram fornecer ao iCub, um renomado robô humanoide criado no IIT, a capacidade de equilibrar seu corpo no solo , por exemplo, apoiado em um único pé. Assim que conseguiram isso, eles começaram a trabalhar para ampliar as habilidades de locomoção do robô, para que ele também pudesse voar e se mover no ar. A equipe se refere à área de pesquisa na qual tem se concentrado como 'robótica humanoide aérea ".
 
"Até onde sabemos, produzimos o primeiro trabalho sobre robôs humanoides voadores ", disse Pucci. "Esse artigo estava obviamente testando controladores de voo apenas em ambientes de simulação, mas dados os resultados promissores, embarcamos na jornada de projetar o iRonCub, o primeiro robô humanoide movido a jato apresentado em nosso último artigo."

A estrutura de estimativa de empuxo criada pelos pesquisadores simplifica significativamente o projeto de seus robôs voadores e reduz seu custo de fabricação, pois não requer a instalação de sensores de força em cada um dos motores a jato que impulsionam o robô. Em vez de estimar o empuxo usando dados do sensor de força, a estrutura combina duas fontes diferentes de informações em um único processo de estimativa.

A primeira fonte de informação usada pela estrutura é derivada de um modelo que relaciona os comandos enviados ao motor a jato com o empuxo resultante. Este é um modelo baseado em dados que foi treinado em dados coletados pelos pesquisadores.

"Primeiro construímos uma configuração experimental ad-hoc que se parece muito com uma câmara à prova de fogo e de bala, onde colocar motores a jato e realizar experimentos com segurança", disse Pucci. "Então, usando essa configuração, coletamos dados de entrada / saída do motor a jato e selecionamos os modelos que descrevem como o motor se comporta. Para fazer isso, nos baseamos em um de nossos trabalhos anteriores ."

A segunda fonte de informação usada pela estrutura da equipe para estimar o empuxo é o chamado 'momento centroide' de todo o robô. Este é um valor conhecido usado por roboticistas que desenvolvem sistemas humanoides para controlar e estimar seus movimentos.

"Quando usado corretamente, por exemplo, esse valor pode caracterizar os movimentos de um mergulhador pulando de um penhasco", disse Pucci. "Em outras palavras, pode ser usado para relacionar as causas (por exemplo, forças de empuxo) e os efeitos (por exemplo, acelerações verticais para a decolagem) do movimento do robô antes e depois da decolagem."

A equipe que desenvolveu o iRonCub. Crédito: Istituto Italiano di Tecnologia.

Se fossem usados ​​individualmente, ambas as fontes de informação usadas pela estrutura da equipe teriam limitações significativas. Por exemplo, o modelo baseado em dados que eles usaram só seria capaz de estimar com precisão o empuxo se um motor a jato estivesse sempre funcionando exatamente da mesma maneira. No entanto, os motores a jato podem ter um desempenho diferente com base em vários fatores ambientais diferentes.

"A segunda abordagem, por outro lado, não usa informações internas do jato", disse Pucci. "Então, usamos a Filtragem Kalman para combinar as duas abordagens para superar suas desvantagens individuais. Notavelmente, nossa abordagem de estimativa é independente da natureza específica dos robôs humanóides voadores e pode ser usada em controladores de vôo projetados para qualquer robô multicorpo voador."

Para avaliar a eficácia de sua estrutura, Pucci e seus colegas testaram em um robô recém-desenvolvido chamado iRonCub, uma evolução do robô iCub com motores a jato integrados . Embora a equipe tenha trabalhado neste robô por um tempo, só recentemente eles puderam demonstrar seu conjunto completo de recursos.

“Lidar com robôs a jato não é uma tarefa fácil, já que a temperatura do ar do jato pode chegar a 700 graus Celsius e a velocidade do ar pode ter características supersônicas, fluindo a cerca de 1800 km / h”, explicou Pucci. “Por esse motivo, desenvolvemos procedimentos experimentais e protocolos estritos que nos permitem trabalhar com o iRonCub com segurança. Nesse sentido, nossa equipe de pesquisa teve que superar vários problemas e questões que estão distantes daqueles associados à pesquisa de robótica clássica e mais próximos daqueles de aviônica. "

Embora os pesquisadores até agora tenham testado apenas a estrutura de estimativa de empuxo em seu robô humanóide iRonCub, ela também poderia ser aplicada a outros robôs voadores com diferentes estruturas corporais. Isso inclui robôs voadores reconfiguráveis, sistemas que podem mudar de forma ou configuração para executar ações específicas.

"O problema de estimar as forças de empuxo é fundamental para um voo bem-sucedido em qualquer caso", disse Pucci. "Além disso, além da aplicação futurística de robôs humanoides voadores em cenários semelhantes a desastres, acreditamos que nosso trabalho pode ser aplicado a projetos mais simples do que robôs humanoides voadores, incluindo caixas voadores a jato."

Se aplicada a caixas voadoras a jato, a estrutura de estimativa de empuxo desenvolvida pelos pesquisadores pode abrir novas oportunidades para a entrega de vários produtos em locais remotos, incluindo alimentos e medicamentos. Se receberem financiamento da UE ou de fundações científicas, Pucci e seus colegas gostariam de explorar esta possível aplicação com mais profundidade.

Enquanto isso, a equipe planeja continuar trabalhando no iRonCub, concentrando-se em suas capacidades de voo. A esperança deles é, eventualmente, apresentar o primeiro robô humanoide confiável e de alto desempenho, capaz de locomoção terrestre e aérea.

"Em nosso laboratório, temos várias equipes de pesquisa que abordam diferentes tópicos relacionados à robótica humanoide", disse Pucci. "A equipe do iRonCub está se concentrando em direções de pesquisa de longo, médio e curto prazo em Robótica Humanoide Aérea. Em longo prazo, dois pesquisadores de nossa equipe, Antonello Paolino e Fabio Di Natale, estão investigando modelos de dinâmica de fluidos computacional para que a aerodinâmica do robô seja integrada ao controle de voo iRonCub. Fabio Bergonti, por outro lado, se concentrará na integração desses modelos em arquiteturas de controle de robôs humanóides voadores futuristas que adaptem sua forma de acordo com a aerodinâmica circundante, como se o robô fosse um transformador. "

Como um objetivo de pesquisa de médio prazo, dois colegas de Pucci, Affaf Momin e Hosameldin Awadalla, planejam melhorar a estrutura de estimativa de empuxo que criaram usando inteligência artificial (IA) e ferramentas computacionais baseadas em dados. Posteriormente, seu colega Giuseppe L'Erario se concentrará na integração desses algoritmos em controladores que unificam as estratégias de caminhada, manipulação, corrida, decolagem e voo horizontal de um robô .

"Finalmente, como um objetivo de curto prazo, Punith Reddy se concentrará em tornar o iRonCub desamarrado", acrescentou Pucci. "No nível experimental, nosso scrum master iRonCub Gabriele Nava está se concentrando em cuidar de todas as atividades de integração para o primeiro voo iRonCub bem-sucedido, que consiste em uma decolagem e pouso vertical. Este último plano de curto prazo é muito desafiador, mas eu acreditamos que temos conhecimento e vontade suficientes para atingir este importante marco, mais cedo ou mais tarde. "

 

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