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Carnegie Mellon University, Pittsburgh, Pennsylvania

I ricercatori del Robotics Institute (RI) della Carnegie Mellon University hanno progettato un sistema che rende un robot quadrupede abbastanza agile da camminare su una stretta trave di equilibrio: un'impresa che è probabilmente la prima nel suo genere.

"Questo esperimento è stato enorme", ha affermato Zachary Manchester, professore assistente al RI e capo del Robotic Exploration Lab. "Non credo che nessuno abbia mai eseguito con successo la camminata sulla trave con un robot prima d'ora."

Sfruttando l'hardware spesso utilizzato per controllare i satelliti nello spazio, Manchester e il suo team hanno compensato i vincoli esistenti nella progettazione del quadrupede per migliorarne le capacità di bilanciamento.

Gli elementi standard dei robot quadrupedi più moderni includono un torso e quattro gambe che terminano ciascuna con un piede arrotondato, consentendo al robot di attraversare superfici piatte e persino salire le scale. Il loro design ricorda un animale a quattro zampe, ma a differenza dei ghepardi che possono usare la coda per controllare le curve strette o dei gatti che cadono che modificano il loro orientamento a mezz'aria con l'aiuto delle loro spine flessibili, i robot quadrupedi non hanno un'agilità così istintiva.

Finché tre piedi del robot rimangono a contatto con il suolo, può evitare di ribaltarsi. Ma se solo uno o due piedi sono a terra, il robot non può correggere facilmente i disturbi e ha un rischio molto più elevato di cadere. Questa mancanza di equilibrio rende particolarmente difficile camminare su terreni accidentati.

"Con gli attuali metodi di controllo, il corpo e le gambe di un robot quadrupede sono disaccoppiati e non parlano tra loro per coordinare i movimenti", ha detto Manchester.

“Allora come possiamo migliorare il loro equilibrio?”

La soluzione del team impiega un sistema RWA (reaction wheel attuatore) che si monta sul retro di un robot quadrupede. Con l'aiuto di una nuova tecnica di controllo, l'RWA consente al robot di restare in equilibrio indipendentemente dalla posizione dei suoi piedi.

Gli RWA sono ampiamente utilizzati nell'industria aerospaziale per eseguire il controllo dell'assetto sui satelliti manipolando il momento angolare del veicolo spaziale.

"Fondamentalmente hai un grande volano con un motore collegato", ha detto Manchester, che ha lavorato al progetto con lo studente laureato del RI Chi-Yen Lee e gli studenti laureati in ingegneria meccanica Shuo Yang e Benjamin Boksor. “Se si fa girare il pesante volano in un senso, il satellite gira nell’altro senso. Ora prendilo e mettilo sul corpo di un robot quadrupede.

Il team ha prototipato il proprio approccio montando due RWA su un robot commerciale Unitree A1, uno sull'asse di beccheggio e uno sull'asse di rollio, per fornire il controllo sul momento angolare del robot. Con gli RWA non ha importanza se le gambe del robot sono a contatto con il suolo oppure no, poiché gli RWA forniscono un controllo indipendente dell'orientamento del corpo.

Manchester ha affermato che è stato facile modificare un quadro di controllo esistente per tenere conto degli RWA perché l'hardware non modifica la distribuzione della massa del robot, né presenta le limitazioni articolari di una coda o di una colonna vertebrale. Senza dover tenere conto di tali vincoli, l’hardware può essere modellato come un girostato (un modello idealizzato di un veicolo spaziale) e integrato in un algoritmo di controllo predittivo del modello standard.

Il team ha testato il proprio sistema con una serie di esperimenti riusciti che hanno dimostrato la maggiore capacità del robot di riprendersi da impatti improvvisi. Nella simulazione, hanno imitato il classico problema del gatto che cade facendo cadere il robot a testa in giù da quasi mezzo metro, con gli RWA che consentono al robot di riorientarsi a mezz'aria e atterrare in piedi. Sul piano hardware, hanno dimostrato la capacità del robot di riprendersi dai disturbi – così come la capacità di bilanciamento del sistema – con un esperimento in cui il robot camminava lungo una trave di equilibrio larga 6 centimetri.

Manchester prevede che i robot quadrupedi passeranno presto dall’essere principalmente piattaforme di ricerca nei laboratori a prodotti per uso commerciale ampiamente disponibili, in modo simile a dove lo erano i droni circa 10 anni fa. E con il continuo lavoro per migliorare le capacità di stabilizzazione di un robot quadrupede per adattarlo agli istintivi animali a quattro zampe che ne hanno ispirato la progettazione, in futuro potrebbero essere utilizzati in scenari ad alto rischio come la ricerca e il salvataggio.