La mayoría de los humanos son bípedos, pero incluso los mejores de nosotros somos realmente bípedos hasta que las cosas se ponen complicadas. Si bien nuestras piernas pueden ser nuestro sistema de movilidad principal, hay muchas situaciones en las que también utilizamos nuestros brazos, ya sea de forma pasiva para mantener el equilibrio o de forma activa cuando extendimos una mano para estabilizarnos sobre un objeto cercano. Y a pesar de lo inestables que tienden a ser los robots bípedos, usar cualquier cosa además de las piernas para la movilidad ha sido un desafío tanto en software como en hardware, una limitación significativa en entornos altamente desestructurados.
Roboticistas de TUM en Alemania (con el apoyo de la Fundación de Investigación Alemana) le han dado recientemente a su robot humanoide LOLA algunas mejoras importantes para hacer posible este tipo de locomoción de contacto múltiple. Si bien aún está en las primeras etapas, ya es una de las locomociones bípedas más parecidas a las humanas que hemos visto.
Ciertamente, es posible que los robots bípedos caminen sobre terrenos desafiantes sin usar extremidades como apoyo, pero estoy seguro de que puede pensar en muchas ocasiones en las que usar sus brazos para ayudar con su propia movilidad bípeda fue un requisito. No es un requisito porque la fuerza o coordinación de las piernas o el sentido del equilibrio son malos, necesariamente. Es solo que a veces, es posible que se encuentre caminando sobre algo que es altamente inestable o en una situación en la que las consecuencias de un tropiezo son excepcionalmente altas. Y puede que ni siquiera importe la cantidad de detección que tenga de antemano y lo cuidadoso que sea con la planificación de sus pasos: hay límites en cuanto a cuánto puede saber sobre su entorno de antemano, y eso puede resultar en un mal momento. Esta es la razón por la que el uso de la locomoción de contactos múltiples, ya sea que se planee con anticipación o no, es una habilidad útil para los humanos y también debería serlo para los robots.
Como señala el video (y apoyos por ser explícito al respecto), este aún no es un comportamiento completamente autónomo, con posiciones de pies y puntos de contacto de brazos configurados a mano con anticipación. Pero no es demasiado difícil ver cómo se puede hacer todo de manera autónoma, ya que una de las partes realmente difíciles (usar múltiples puntos de contacto para equilibrar dinámicamente un robot en movimiento) se está haciendo a bordo y en tiempo real.
Lograr que LOLA pudiera hacer esto requirió una revisión importante tanto del hardware como del software. Y Philipp Seiwald, que trabaja con LOLA en TUM, pudo contarnos más al respecto.
Espectro IEEE: ¿Puede resumir los cambios en el hardware de LOLA que se requieren para la locomoción de múltiples contactos?
Philipp Seiwald: La versión original de LOLA ha sido diseñada para caminar bípedos rápidamente. Aunque tenía dos brazos, no estaban destinados a entrar en contacto con el entorno, sino a compensar los efectos dinámicos de los pies durante la marcha rápida. Además, el torso tenía un diseño relativamente simple que estaba bien para su propósito original; sin embargo, no fue concebido para soportar las altas cargas provenientes de las manos durante las maniobras de múltiples contactos. Por lo tanto, rediseñamos la parte superior del cuerpo completo de LOLA desde cero. A partir de la pelvis, se ha incrementado la fuerza y rigidez del torso. Usamos el método de elementos finitos para optimizar las piezas críticas para obtener la máxima resistencia con el mínimo peso. Además, agregamos grados adicionales de libertad a los brazos para aumentar el espacio de trabajo accesible para las manos. La topología cinemática de los brazos, es decir, la disposición de las articulaciones y las longitudes de los enlaces, se ha obtenido a partir de una optimización que tiene en cuenta escenarios típicos de multicontactos.
¿Por qué es este un problema importante para los robots humanoides bípedos?
Mantener el equilibrio durante la locomoción puede considerarse el objetivo principal de los robots con patas. Naturalmente, esta tarea es más desafiante para los bípedos en comparación con los robots con cuatro o incluso más patas. Aunque los prototipos de alta gama actuales muestran un progreso impresionante, los robots humanoides aún no tienen la robustez y versatilidad que necesitan para la mayoría de las aplicaciones del mundo real. Con nuestra investigación, intentamos contribuir a este campo y ayudar a superar los límites aún más. Recientemente, mostramos nuestro último trabajo sobre caminar sobre terrenos irregulares sin soporte de múltiples contactos. Aunque la robustez ya es alta, todavía existen escenarios, como caminar sobre objetos sueltos, donde la estabilización del robot falla al usar solo los contactos de los pies. El uso de soporte adicional para el entorno de la mano durante esta caminata (comparativamente) rápida permite un aumento significativo adicional en la robustez, es decir, la capacidad del robot para compensar perturbaciones, errores de modelado o entradas inexactas del sensor. Además de la estabilización en terrenos irregulares, la locomoción de múltiples contactos también permite movimientos más complejos, por ejemplo, pasar por encima de un obstáculo alto o contactos solo con los dedos de los pies, como se muestra en nuestro último video de contactos múltiples.
¿Cómo puede LOLA decidir si una superficie es adecuada para la locomoción de múltiples contactos?
El sistema de percepción visual de LOLA es desarrollado actualmente por nuestros socios del proyecto de la Cátedra de Procedimientos Médicos Asistidos por Computadora y Realidad Aumentada en el TUM. Este sistema se basa en una novedosa canalización semántica de localización y mapeo simultáneo (SLAM) que puede extraer de manera robusta los componentes semánticos de la escena (como el piso, las paredes y los objetos en la misma) fusionando múltiples observaciones desde diferentes puntos de vista e infiriendo a partir de ellas el gráfico de escena subyacente. Esto proporciona una estimación confiable de qué partes de la escena se pueden usar para soportar la locomoción, basándose en el supuesto de que ciertos elementos estructurales, como las paredes, son fijos, mientras que las sillas, por ejemplo, no lo son.
Además, el equipo planea desarrollar un conjunto de datos específico con anotaciones que describan con más detalle los atributos del objeto (como la rugosidad de la superficie o su suavidad) y que se utilizará para dominar la locomoción de múltiples contactos en escenas aún más complejas. A día de hoy, el sistema de visión y navegación aún no está terminado; por lo tanto, en nuestro último video, usamos puntos de apoyo y puntos de contacto predefinidos para las manos. Sin embargo, dentro de nuestra colaboración, estamos trabajando hacia un sistema totalmente integrado y autónomo.
¿Es LOLA capaz de realizar una locomoción de múltiples contactos tanto proactiva como reactiva?
El marco de software de LOLA tiene una estructura jerárquica. En el nivel más alto, el sistema de visión genera un modelo de entorno y estima la pose 6D del robot en la escena. Luego, el generador de patrones de caminata usa esta información para planificar un movimiento futuro dinámicamente factible que llevará a LOLA a una posición objetivo definida por el usuario. En un nivel inferior, el módulo de estabilización modifica este plan para compensar los errores del modelo o cualquier tipo de perturbación y mantener el equilibrio general. Por eso, nuestro enfoque actualmente se centra en la locomoción proactiva de múltiples contactos. Sin embargo, también planeamos trabajar en un comportamiento más reactivo, de modo que una perturbación inesperada también pueda desencadenar un apoyo adicional para las manos en lugar de planificarlo con anticipación.
¿Cuáles son algunos ejemplos de capacidades únicas en las que está trabajando con LOLA?
Uno de los principales objetivos de la investigación con LOLA sigue siendo una locomoción rápida, autónoma y robusta en terrenos complejos e irregulares. Nuestro objetivo es alcanzar una velocidad de marcha similar a la de los humanos. Actualmente, LOLA puede hacer locomoción de contacto múltiple y cruzar terrenos irregulares a una velocidad de 1.8 km / h, que es comparablemente rápida para un robot bípedo pero aún lenta para un humano. En terreno plano, el hardware de gama alta de LOLA le permite caminar a una velocidad máxima relativamente alta de 3,38 km / h.
La locomoción de múltiples contactos totalmente autónoma para un robot humanoide de tamaño natural es una tarea difícil. A medida que los algoritmos se vuelven más complejos, aumenta el tiempo de cálculo, lo que a menudo resulta en métodos de planificación de movimiento fuera de línea. Para LOLA, nos limitamos a la locomoción multicontacto de la marcha, lo que significa que tratamos de preservar las características centrales de la marcha bípeda y usamos los brazos solo como ayuda. Esto nos permite utilizar modelos simplificados del robot que conducen a algoritmos muy eficientes que se ejecutan en tiempo real y completamente integrados.
Un objetivo científico a largo plazo con LOLA es comprender los componentes esenciales y las políticas de control de la marcha humana. La cinemática de las piernas de LOLA es relativamente similar a la del cuerpo humano. Junto con científicos de kinesiología, tratamos de identificar similitudes y diferencias entre el caminar humano observado y el modo de caminar “diseñado” de LOLA. Esperamos que esta investigación conduzca, por un lado, a nuevas ideas para el control de bípedos, y por otro lado, demuestre a través de experimentos en bípedos si los modelos biomecánicos para la marcha humana se entienden correctamente. Para comparar las políticas de control en terrenos irregulares, LOLA debe poder caminar a velocidades comparables, lo que también motiva nuestra investigación sobre la marcha rápida y robusta.
Si bien tiene sentido por qué los investigadores están usando los brazos de LOLA principalmente para ayudar con una marcha bípeda convencional, mirando hacia el futuro es interesante pensar en cómo los robots que normalmente consideramos bípedos podrían potencialmente aprovechar sus extremidades para la movilidad en personas decididamente no humanas. formas.
Estamos acostumbrados a que los robots con patas sean una morfología particular, supongo que porque asociarlos con humanos o perros o lo que sea es simplemente una forma cómoda de hacerlo, pero no hay ninguna razón en particular por la que un robot con cuatro extremidades tenga que elegir entre ser un ser cuadrúpedo y ser bípedo con brazos, o algún híbrido entre los dos, dependiendo de cuál sea su tarea. La investigación que se está realizando con LOLA podría ser un paso en esa dirección, y tal vez una mano en la pared en esa dirección también.