Un guepardo robótico capaz de dar volteretas hacia atrás

El nuevo robot mini guepardo de MIT es elástico, liviano y pesa solo 9 kg

El nuevo robot mini guepardo de MIT es elástico y ligero, con un rango de movimiento que compite con un campeón de gimnasia. Este energético dispositivo de cuatro patas puede doblarse y balancear sus piernas, lo que le permite caminar con las patas en dirección hacia arriba o hacia abajo de su cuerpo. El robot también puede trotar en terrenos irregulares aproximadamente el doble de rápido que la velocidad de caminata de una persona promedio.

Con un peso de tan solo 9 kg -más liviano que algunos pavos de Navidad- el ágil cuadrúpedo no sufre los empujones: cuando es pateado en el suelo, el robot puede enderezarse rápidamente con un giro de sus codos, similar al kung-fu.

Quizás lo más impresionante es su capacidad para realizar un salto atrás de 360 grados desde una posición de pie. Los investigadores afirman que el mini guepardo está diseñado para ser «virtualmente indestructible», y que se recupera con poco daño, incluso si un salto hacia atrás termina mal.

En el caso de que se rompa una extremidad o un motor, el mini guepardo está diseñado considerando la modularidad: cada una de las patas del robot se alimenta de tres motores eléctricos idénticos y de bajo costo que los investigadores diseñaron con piezas listas para usar. Cada motor se puede cambiar fácilmente por uno nuevo.

«Podrías poner estas piezas juntas, casi como ladrillos de armar de plástico», dice el desarrollador líder, Benjamin Katz, un asociado técnico en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT.


Los investigadores presentarán el diseño del mini guepardo en la Conferencia Internacional sobre Robótica y Automatización, en mayo. Actualmente están construyendo más de estas máquinas de cuatro patas, con la meta de tener un conjunto de 10, cada uno de los cuales esperan dar como préstamo a otros laboratorios.

«Una gran parte de la razón por la que construimos este robot es que tan fácil para experimentar y simplemente probar cosas locas, porque el robot es súper robusto y no se rompe fácilmente, y si se rompe, es fácil y no muy costoso arreglarlo», dice Katz, quien trabajó en el robot en el laboratorio de Sangbae Kim, profesor asociado de ingeniería mecánica.

Kim dice que el prestar mini guepardos a otros grupos de investigación les da a los ingenieros la oportunidad de probar algoritmos y maniobras novedosos en un robot altamente dinámico, al que de otra forma no tendrían acceso.

«Eventualmente, espero que podamos tener una carrera de perros robótica a través de una senda de obstáculos, donde cada equipo controle un mini guepardo con diferentes algoritmos, y podamos ver qué estrategia es más efectiva», dice Kim. «Así es como se acelera la investigación».

Cosas dinámicas

El mini guepardo es más que una versión en miniatura de su predecesor, el guepardo 3, un robot grande, pesado y formidable, que a menudo necesita ser estabilizado con correas para proteger sus costosas piezas diseñadas a medida.

«En Cheetah 3, todo está super integrado, así que si quieres cambiar algo, tienes que hacer un montón de rediseño», dice Katz. «Mientras que con el mini guepardo, si quisieras agregar otro brazo, podrías agregar tres o cuatro más de estos motores modulares».

Katz ideó el diseño del motor eléctrico al reconfigurar las piezas a motores pequeños, disponibles comercialmente, normalmente utilizados en aviones no tripulados y aviones controlados a distancia.

Cada uno de los 12 motores del robot es aproximadamente del tamaño de la tapa de un tarro a rosca, y consiste en un estator, o conjunto de bobinas que genera un campo magnético giratorio; un pequeño controlador que transmite la cantidad de corriente que debe producir el estator; un rotor, alineado con imanes, que gira con el campo del estator, produciendo un par para levantar o rotar una extremidad; una caja de engranajes que proporciona una reducción de engranajes de 6: 1, lo que permite que el rotor proporcione seis veces el par que normalmente tendría; y un sensor de posición que mide el ángulo y la orientación del motor y la extremidad asociada.




Cada pata está accionada por tres motores, para darle tres grados de libertad y una gran amplitud de movimiento. El diseño liviano, de alto torque y baja inercia, permite que el robot ejecute maniobras rápidas y dinámicas, y realice impactos de alta fuerza en el suelo sin romper las cajas de engranajes o las extremidades.

«La velocidad a la que puede cambiar las fuerzas sobre el terreno es realmente rápida», dice Katz. «Cuando está funcionando, sus pies están solo en el suelo durante unos 150 milisegundos a la vez, durante los cuales una computadora le dice que aumente la fuerza en el pie, luego la cambie para equilibrarlo y luego disminuya esa fuerza realmente rápido para levantar. Así que puede hacer cosas realmente dinámicas, como saltar en el aire con cada paso, o correr con dos pies en el suelo a la vez. La mayoría de los robots no son capaces de hacer esto, así que se mueven mucho más lento».

Volteretas

Los ingenieros probaron el mini guepardo con una serie de maniobras, analizando primero su capacidad de carrera en los pasillos del Laboratorio Pappalardo del MIT y en el terreno ligeramente irregular de Killian Court.

En ambos entornos, el cuadrúpedo se movió a aproximadamente 8 km por hora. Las articulaciones del robot son capaces de girar tres veces más rápido, con el doble de fuerza, y Katz estima que el robot podría funcionar casi el doble de rápido con un poco de ajuste.

El equipo escribió otro código de computadora para hacer que el se estire y se retuerza en varias configuraciones similares al yoga, mostrando su rango de movimiento y la capacidad de rotar sus extremidades y articulaciones mientras mantiene el equilibrio. También programaron el robot para recuperarse de una fuerza inesperada, como una patada lateral. Cuando los investigadores patearon el robot al suelo, se apagó automáticamente.

«Se supone que algo ha salido terriblemente mal, así que simplemente se apaga, y las piernas se desplazan libres», dice Katz.

Cuando recibe una señal para reiniciarse, el robot primero determina su orientación y luego realiza una maniobra preprogramada de agacharse o girar el codo para enderezarse en cuatro patas.

Katz y el coautor Jared Di Carlo, un estudiante universitario en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS), se preguntaron si el robot podría realizar maniobras de mayor impacto. Inspirados por una clase que tomaron el año pasado, impartidos por el profesor Russ Tedrake de EECS, se dedicaron a programar el mini guepardo para realizar una voltereta hacia atrás.

«Pensamos que sería una buena prueba del rendimiento del robot, ya que requiere mucha potencia, torque, y hay enormes impactos al final de un giro», dice Katz.

El equipo escribió una «gigante optimización de la trayectoria, no lineal» que incorporaba la dinámica del robot y las capacidades del actuador, y especificó una trayectoria en la que el robot comenzaría en una cierta orientación del lado derecho hacia arriba y terminaría volteado 360 grados. El programa que desarrollaron luego resolvió todos los pares de torsión que debían aplicarse a cada junta, desde cada motor individual, y en cada período de tiempo entre el inicio y el final, para llevar a cabo el retroceso.

«La primera vez que lo probamos, funcionó milagrosamente», dice Katz.

«Esto es super emocionante», agrega Kim. «Imagina a Cheetah 3 haciendo una voltereta hacia atrás: se estrellaría y probablemente destruiría la máquina para correr. Podríamos hacer esto con el mini cheetah en un escritorio».



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