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

Como as forças de empuxo são difa­ceis 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, ajuda¡-los a realizar seu imagina¡rio roba´ humanoide voador .

"Nossas primeiras ideias de fazer um roba´ humanoide voador surgiram por volta de 2016", disse Daniele Pucci, chefe do laboratório de Inteligaªncia Artificial e Meca¢nica que realizou o estudo, ao TechXplore. "O objetivo principal era conceber robôs que pudessem operar em cenários semelhantes aos de desastres, onde hásobreviventes para resgatar dentro de prédios parcialmente destrua­dos, e esses prédios são de difa­cil acesso devido a potenciais inundações e incaªndios ao redor deles."

O objetivo principal do trabalho recente de Pucci e seus colegas era conceber um roba´ 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 roba´ humanoide para incluir o voo; em vez de desenvolver uma estrutura roba³tica inteiramente nova.

"Uma vez dotados de habilidades de voo, os robôs humanoides podem voar de um prédio para outro evitando destroa§os, incaªndios e inundações", disse Pucci. "Apa³s o pouso, eles podiam manipular objetos para abrir portas e fechar va¡lvulas de gás, ou caminhar dentro de edifa­cios para inspeção interna, por exemplo, procurando por sobreviventes de um incaªndio ou desastre natural."

Inicialmente, Pucci e seus colegas tentaram fornecer ao iCub, um renomado roba´ humanoide criado no IIT, a capacidade de equilibrar seu corpo no solo , por exemplo, apoiado em um aºnico panã. Assim que conseguiram isso, eles começam a trabalhar para ampliar as habilidades de locomoção do roba´, para que ele também pudesse voar e se mover no ar. A equipe se refere a  área de pesquisa na qual tem se concentrado como 'roba³tica humanoide aanãrea ".

"Atéonde 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 roba´ 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 roba´. Em vez de estimar o empuxo usando dados do sensor de força, a estrutura combina duas fontes diferentes de informações em um aºnico processo de estimativa.

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

"Primeiro construa­mos uma configuração experimental ad-hoc que se parece muito com uma ca¢mara a  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 / saa­da 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 éo chamado 'momento centroide' de todo o roba´. Este éum 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 roba´ antes e depois da decolagem."

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 são 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 éindependente da natureza especa­fica dos robôs humana³ides voadores e pode ser usada em controladores de va´o projetados para qualquer roba´ multicorpo voador."

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

“Lidar com robôs a jato não éuma tarefa fa¡cil, já que a temperatura do ar do jato pode chegar a 700 graus Celsius e a velocidade do ar pode ter caracteri­sticas supersa´nicas, 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 estãodistantes daqueles associados a  pesquisa de roba³tica cla¡ssica e mais pra³ximos daqueles de avia´nica. "

Embora os pesquisadores atéagora tenham testado apenas a estrutura de estimativa de empuxo em seu roba´ humana³ide iRonCub, ela também poderia ser aplicada a outros robôs voadores com diferentes estruturas corporais. Isso inclui robôs voadores reconfigura¡veis, sistemas que podem mudar de forma ou configuração para executar ações especa­ficas.

"O problema de estimar as forças de empuxo éfundamental para um voo bem-sucedido em qualquer caso", disse Pucci. "Além disso, além da aplicação futura­stica 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 cienta­ficas, 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 esperana§a deles anã, eventualmente, apresentar o primeiro roba´ humanoide confia¡vel e de alto desempenho, capaz de locomoção terrestre e aanãrea.

"Em nosso laboratório, temos várias equipes de pesquisa que abordam diferentes tópicos relacionados a  roba³tica humanoide", disse Pucci. "A equipe do iRonCub estãose concentrando em direções de pesquisa de longo, manãdio e curto prazo em Roba³tica Humanoide Aanãrea. Em longo prazo, dois pesquisadores de nossa equipe, Antonello Paolino e Fabio Di Natale, estãoinvestigando modelos de dina¢mica de fluidos computacional para que a aerodina¢mica do roba´ seja integrada ao controle de voo iRonCub. Fabio Bergonti, por outro lado, se concentrara¡ na integração desses modelos em arquiteturas de controle de robôs humana³ides voadores futuristas que adaptem sua forma de acordo com a aerodina¢mica circundante, como se o roba´ fosse um transformador. "

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

"Finalmente, como um objetivo de curto prazo, Punith Reddy se concentrara¡ em tornar o iRonCub desamarrado", acrescentou Pucci. "Nonívelexperimental, nosso scrum master iRonCub Gabriele Nava estãose 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 émuito desafiador, mas eu acreditamos que temos conhecimento e vontade suficientes para atingir este importante marco, mais cedo ou mais tarde. "