Il robot Cheetah 3 del MIT ora può saltare e galoppare su terreni accidentati, salire una scala cosparsa di detriti, e recupera rapidamente l'equilibrio quando viene improvvisamente strattonato o spinto, il tutto mentre essenzialmente ciechi.

La bestia meccanica da 90 libbre, delle dimensioni di un Labrador adulto, è intenzionalmente progettata per fare tutto questo senza fare affidamento su telecamere o sensori ambientali esterni. Anziché, si "sente" agilmente attraverso l'ambiente circostante in un modo che gli ingegneri descrivono come "locomozione cieca, " proprio come farsi strada attraverso una stanza buia come la pece.

"Ci sono molti comportamenti imprevisti che il robot dovrebbe essere in grado di gestire senza fare troppo affidamento sulla visione, " dice il progettista del robot, Sangbae Kim, professore associato di ingegneria meccanica al MIT. "La visione può essere rumorosa, leggermente impreciso, e a volte non disponibile, e se ti affidi troppo alla vista, il tuo robot deve essere molto preciso nella posizione e alla fine sarà lento. Quindi vogliamo che il robot si basi maggiormente sulle informazioni tattili. Quel modo, può gestire ostacoli imprevisti mentre si muove velocemente."

I ricercatori presenteranno le capacità senza visione del robot in ottobre alla Conferenza internazionale sui robot intelligenti, a Madrid. Oltre alla locomozione cieca, il team dimostrerà l'hardware migliorato del robot, inclusa una gamma di movimento più ampia rispetto al suo predecessore Cheetah 2, che consente al robot di allungarsi avanti e indietro, e gira da un lato all'altro, proprio come un gatto che si arrampica per balzare.

Entro i prossimi anni, Kim immagina che il robot svolga compiti che altrimenti sarebbero troppo pericolosi o inaccessibili per gli umani.

"Cheetah 3 è progettato per svolgere compiti versatili come l'ispezione di centrali elettriche, che coinvolge varie condizioni del terreno tra cui scale, cordoli, e ostacoli a terra, " Dice Kim. "Penso che ci siano innumerevoli occasioni in cui [vorremmo] inviare robot per svolgere compiti semplici invece di umani. Pericoloso, sporco, e il lavoro difficile può essere svolto in modo molto più sicuro tramite robot controllati a distanza".

Prendere un impegno

Il Cheetah 3 può farsi strada alla cieca su per le scale e attraverso terreni non strutturati, e può recuperare rapidamente il suo equilibrio di fronte a forze impreviste, grazie a due nuovi algoritmi sviluppati dal team di Kim:un algoritmo di rilevamento dei contatti, e un algoritmo di controllo predittivo del modello.

L'algoritmo di rilevamento del contatto aiuta il robot a determinare il momento migliore per una determinata gamba per passare dall'oscillazione in aria al passo a terra. Per esempio, se il robot calpesta un ramoscello leggero contro uno duro, roccia pesante, come reagisce e se continua a portare a termine con un passo, o invece si tira indietro e fa oscillare la gamba:può creare o rompere il suo equilibrio.

"Quando si tratta di passare dall'aria alla terra, il cambio deve essere molto ben fatto, " Dice Kim. "Questo algoritmo riguarda davvero, 'Quando è un momento sicuro per commettere il mio passo?'"

L'algoritmo di rilevamento del contatto aiuta il robot a determinare il momento migliore per la transizione di una gamba tra l'oscillazione e il passo, calcolando costantemente per ogni gamba tre probabilità:la probabilità che una gamba entri in contatto con il suolo, la probabilità della forza generata una volta che la gamba tocca il suolo, e la probabilità che la gamba sia in midswing. L'algoritmo calcola queste probabilità in base ai dati dei giroscopi, accelerometri, e posizioni articolari delle gambe, che registrano l'angolo e l'altezza della gamba rispetto al suolo.

Se, Per esempio, il robot inaspettatamente calpesta un blocco di legno, il suo corpo si inclinerà all'improvviso, spostando l'angolo e l'altezza del robot. Quei dati confluiranno immediatamente nel calcolo delle tre probabilità per ogni gamba, che l'algoritmo combinerà per stimare se ciascuna gamba debba impegnarsi a spingere verso il basso, oppure sollevarsi e oscillare per mantenere l'equilibrio, il tutto mentre il robot è praticamente cieco.

"Se gli umani chiudono gli occhi e fanno un passo, abbiamo un modello mentale per dove potrebbe essere il terreno, e può prepararsi per questo. Ma ci affidiamo anche alla sensazione di contatto con il suolo, " Dice Kim. "Stiamo facendo la stessa cosa combinando più [fonti di] informazioni per determinare il tempo di transizione".

I ricercatori hanno testato l'algoritmo in esperimenti con Cheetah 3 che trotta su un tapis roulant da laboratorio e sale su una scala. Entrambe le superfici erano disseminate di oggetti casuali come blocchi di legno e rotoli di nastro adesivo.

"Non conosce l'altezza di ogni passo, e non sa che ci sono ostacoli sulle scale, ma si limita a solcare senza perdere l'equilibrio, " dice Kim. "Senza quell'algoritmo, il robot era molto instabile e cadeva facilmente."

forza futura

La locomozione cieca del robot era anche in parte dovuta all'algoritmo di controllo predittivo del modello, che prevede la forza che una determinata gamba dovrebbe applicare una volta che si è impegnata in un passo.

"L'algoritmo di rilevamento dei contatti ti dirà, 'questo è il momento di applicare le forze sul terreno, '" dice Kim. "Ma una volta che sei a terra, ora devi calcolare che tipo di forze applicare in modo da poter muovere il corpo nel modo giusto".

L'algoritmo di controllo predittivo del modello calcola le posizioni moltiplicative del corpo e delle gambe del robot mezzo secondo nel futuro, se una certa forza viene applicata da una data gamba quando entra in contatto con il suolo.

"Dì che qualcuno calcia di lato il robot, " dice Kim. "Quando il piede è già a terra, l'algoritmo decide 'Come devo specificare le forze sul piede? Perché ho una velocità indesiderabile a sinistra, quindi voglio applicare una forza nella direzione opposta per uccidere quella velocità. Se applico 100 newton in questa direzione opposta, cosa succederà mezzo secondo dopo?"

L'algoritmo è progettato per effettuare questi calcoli per ogni gamba ogni 50 millisecondi, o 20 volte al secondo. Negli esperimenti, i ricercatori hanno introdotto forze inaspettate prendendo a calci e spingendo il robot mentre trottava su un tapis roulant, e tirandolo per il guinzaglio mentre saliva una scala piena di ostacoli. Hanno scoperto che l'algoritmo predittivo del modello ha permesso al robot di produrre rapidamente contro-forze per ritrovare l'equilibrio e continuare ad andare avanti, senza inclinarsi troppo nella direzione opposta.

"È grazie a quel controllo predittivo in grado di applicare le giuste forze sul terreno, combinato con questo algoritmo di transizione dei contatti che rende ogni contatto molto veloce e sicuro, " dice Kim.

Il team aveva già aggiunto telecamere al robot per dargli un feedback visivo dell'ambiente circostante. Questo aiuterà a mappare l'ambiente generale, e darà al robot un avviso visivo su ostacoli più grandi come porte e pareti. Ma per ora, il team sta lavorando per migliorare ulteriormente la locomozione cieca del robot

"Vogliamo prima un ottimo controller senza visione, " dice Kim. "E quando aggiungiamo la visione, anche se potrebbe darti informazioni errate, la gamba dovrebbe essere in grado di gestire (ostacoli). Perché cosa succede se calpesta qualcosa che una telecamera non può vedere? Cosa farà? Ecco dove la locomozione cieca può aiutare. Non vogliamo fidarci troppo della nostra visione".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.