El robot de dos piernas imita el equilibrio humano mientras corre y salta

Rescatar a las víctimas de un edificio en llamas, un derrame químico o cualquier desastre que sea inaccesible para los respondedores humanos algún día podría ser una misión para robots resistentes y adaptables. Imagina, por ejemplo, bots de rescate que pueden atravesar los escombros a cuatro patas, luego levantarse sobre dos patas para apartar un obstáculo pesado o atravesar una puerta cerrada.

Los ingenieros están avanzando en el diseño de robots de cuatro patas y su capacidad para correr, saltar e incluso hacer volteretas. Pero lograr que los robots humanoides de dos piernas ejerzan fuerza o empujen contra algo sin caerse ha sido un obstáculo importante.

Ahora los ingenieros del MIT y de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign han desarrollado un método para controlar el equilibrio en un robot teleoperado de dos piernas, un paso esencial para permitir que un humanoide realice tareas de alto impacto en entornos desafiantes.

El robot del equipo, que se asemeja físicamente a un torso mecanizado y dos piernas, es controlado remotamente por un operador humano que usa un chaleco que transmite información sobre el movimiento del humano y las fuerzas de reacción del suelo al robot.

A través del chaleco, el operador humano puede dirigir la locomoción del robot y sentir los movimientos del robot. Si el robot está empezando a volcarse, el humano siente un tirón correspondiente en el chaleco y puede ajustarse para reequilibrar tanto a sí mismo como, sincrónicamente, al robot.

En experimentos con el robot para probar este nuevo enfoque de «retroalimentación de equilibrio», los investigadores pudieron mantener remotamente el equilibrio del robot mientras saltaba y caminaba en su lugar sincronizado con su operador humano.

«Es como correr con una mochila pesada: puedes sentir cómo se mueve la dinámica de la mochila a tu alrededor y puedes compensarlo adecuadamente«, dice Joao Ramos, quien desarrolló el enfoque como un postdoc MIT. «Ahora, si quieres abrir una puerta pesada, el humano puede ordenarle al robot que arroje su cuerpo hacia la puerta y la abra, sin perder el equilibrio«.

Ramos, quien ahora es profesor asistente en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, ha detallado el enfoque en un estudio que aparece en Science Robotics. Su coautor del estudio es Sangbae Kim, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT.

Más que movimiento

Anteriormente, Kim y Ramos construyeron el robot de dos piernas HERMES (para mecanismos robóticos altamente eficientes y sistema electromecánico) y desarrollaron métodos para imitar los movimientos de un operador a través de la teleoperación, un enfoque que, según los investigadores, tiene ciertas ventajas humanísticas.

«Debido a que tiene una persona que puede aprender y adaptarse sobre la marcha, un robot puede realizar movimientos que nunca antes se habían practicado por teleoperación«, dice Ramos.

En demostraciones, HERMES vertió café en una taza, empuñó un hacha para cortar madera y manipuló un extintor para apagar un incendio.

Todas estas tareas han involucrado la parte superior del cuerpo del robot y los algoritmos para hacer coincidir la posición de la extremidad del robot con la del operador. HERMES pudo realizar movimientos de alto impacto porque el robot estaba arraigado en su lugar. El equilibrio, en estos casos, era mucho más sencillo de mantener. Sin embargo, si el robot tuviera que tomar alguna medida, probablemente se hubiera volcado al intentar imitar los movimientos del operador.

«Nos dimos cuenta de que para generar altas fuerzas o mover objetos pesados, simplemente copiar movimientos no sería suficiente, porque el robot se caería fácilmente«, dice Kim. «Necesitábamos copiar el balance dinámico del operador«.

Little HERMES, es una versión en miniatura de HERMES que es aproximadamente un tercio del tamaño de un adulto humano promedio. El equipo diseñó el robot simplemente como un torso y dos piernas, y diseñó el sistema específicamente para probar las tareas de la parte inferior del cuerpo, como la locomoción y el equilibrio. Al igual que su homólogo de cuerpo completo, Little HERMES está diseñado para la teleoperación, con un operador vestido con un chaleco para controlar las acciones del robot.

Para que el robot copie el balance del operador en lugar de solo sus movimientos, el equipo primero tuvo que encontrar una manera simple de representar el equilibrio. Finalmente, Ramos se dio cuenta de que el equilibrio podría reducirse a dos ingredientes principales: el centro de masa de una persona y su centro de presión, básicamente, un punto en el suelo donde se ejerce una fuerza equivalente a todas las fuerzas de apoyo.

Ramos descubrió que la ubicación del centro de masa en relación con el centro de presión se relaciona directamente con el equilibrio de una persona en un momento dado. También descubrió que la posición de estos dos ingredientes podría representarse físicamente como un péndulo invertido. Imagínese balanceándose de lado a lado mientras permanece en el mismo lugar. El efecto es similar a la oscilación de un péndulo invertido, el extremo superior representa el centro de masa de un humano (generalmente en el torso) y el inferior representa su centro de presión sobre el suelo.

Levantamiento pesado

Para definir cómo se relaciona el centro de masa con el centro de presión, Ramos recopiló datos de movimiento humano, incluidas mediciones en el laboratorio, donde se balanceó hacia adelante y hacia atrás, caminó en su lugar y saltó sobre una placa de fuerza que midió las fuerzas que ejerció sobre el suelo, ya que se registraron la posición de sus pies y torso. Luego condensó estos datos en mediciones del centro de masa y el centro de presión, y desarrolló un modelo para representar cada uno en relación con el otro, como un péndulo invertido.

Luego desarrolló un segundo modelo, similar al modelo para el equilibrio humano, pero se ajustó a las dimensiones del robot más pequeño y ligero, y desarrolló un algoritmo de control para vincular y permitir la retroalimentación entre los dos modelos.

Los investigadores probaron este modelo de retroalimentación de equilibrio, primero en un péndulo invertido simple que construyeron en el laboratorio, en forma de una viga de aproximadamente la misma altura que Little HERMES. Conectaron la viga a su sistema de teleoperación, y se balanceó de un lado a otro a lo largo de una pista en respuesta a los movimientos de un operador. Cuando el operador se balanceó hacia un lado, la viga hizo lo mismo, un movimiento que el operador también podía sentir a través del chaleco. Si la viga se balanceaba demasiado, el operador, al sentir el tirón, podría inclinarse hacia el otro lado para compensar y mantener el rayo equilibrado.

Los experimentos mostraron que el nuevo modelo de retroalimentación podría funcionar para mantener el equilibrio en la viga, por lo que los investigadores probaron el modelo en Little HERMES. También desarrollaron un algoritmo para que el robot traduzca automáticamente el modelo simple de equilibrio a las fuerzas que cada uno de sus pies tendría que generar, para copiar los pies del operador.

En el laboratorio, Ramos descubrió que al usar el chaleco, no solo podía controlar los movimientos y el equilibrio del robot, sino que también podía sentir los movimientos del robot. Cuando el robot fue golpeado con un martillo desde varias direcciones, Ramos sintió que el chaleco se sacudía en la dirección en que se movía el robot. Ramos resistió instintivamente el tirón, que el robot registró como un cambio sutil en el centro de masa en relación con el centro de presión, que a su vez imitó. El resultado fue que el robot no pudo volcar, incluso en medio de repetidos golpes en su cuerpo.

Little HERMES también imitó a Ramos en otros ejercicios, como correr y saltar en el lugar, y caminar en terreno irregular, todo mientras mantenía el equilibrio sin la ayuda de correas o soportes.

«La retroalimentación de equilibrio es algo difícil de definir porque es algo que hacemos sin pensar«, dice Kim. «Esta es la primera vez que la retroalimentación de equilibrio se define adecuadamente para las acciones dinámicas. Esto cambiará la forma en que controlamos un humanoide teleoperado«.

Kim y Ramos continuarán trabajando en el desarrollo de un humanoide de cuerpo completo con un control de equilibrio similar, para algún día poder galopar a través de una zona de desastre y levantarse para alejar las barreras como parte de las misiones de rescate o rescate.

«Ahora podemos abrir puertas pesadas o levantar o tirar objetos pesados, con una comunicación de equilibrio adecuada«, dice Kim.

Esta investigación fue apoyada, en parte, por Hon Hai Precision Industry Co. Ltd. y Naver Labs Corporation.