Ingegneri del California Institute of Tecnologia (Caltech) hanno creato un robot in parte ambulante e in parte un drone volante che, secondo quanto riferito, può eseguire compiti di locomozione complessi oltre al “semplice camminare e volare”. Il robot bipede LEONARDO (Legs ONboARD drOne, o LEO) può camminare su una slackline, saltare, andare su uno skateboard e volare grazie alla sua piattaforma robotica di locomozione multimodale.
Sfruttando questa capacità di locomozione ibrida, hanno affermato i ricercatori, potrebbe aprire la porta a una serie di applicazioni difficili per i robot terrestri o aerei, come l'ispezione multipunto, la riparazione o le attività di sostituzione in luoghi difficili da raggiungere per gli esseri umani. oltre a guidare lo sviluppo di sistemi di carrello di atterraggio adattivi costituiti da articolazioni delle gambe controllate per robot aerei e altri veicoli volanti.
I ricercatori hanno affermato che la piattaforma, che combina regimi di locomozione volante e camminata utilizzando il controllo sincronizzato di propulsori elettrici distribuiti e un paio di gambe multi-articolari, consente i movimenti complessi, come camminare su una slackline o fare skateboard, che sono impegnativi per i robot bipedi esistenti. .
Le manovre di locomozione di LEO. Clicca per ingrandire l'immagine. (Fonte: Caltech)
Sviluppato da un team del Center for Autonomous Systems and Technologies (CAST) di Caltech, si dice che LEO sia il primo robot che utilizza gambe multi-giunto e propulsori basati su elica per ottenere un controllo di precisione sul suo equilibrio. La ricerca è stata riportata in un articolo pubblicato online su Science Robotics.
LEONARDO dimostra i movimenti di deambulazione con manovre di volo per superare gli ostacoli utilizzando il controllo sincronizzato di eliche e articolazioni delle gambe, che potrebbero potenzialmente consentire missioni robotiche e operazioni non possibili per i robot di locomozione monomodale, secondo il documento di ricerca. Ciò significa che i robot con locomozione multimodale passano dalla modalità di camminata a quella di volo secondo necessità.
"Rispetto a un robot di terra, LEO può superare qualsiasi ostacolo utilizzando la transizione tra le modalità di terra e di volo o raggiungere facilmente una posizione elevata utilizzando le eliche", hanno commentato i ricercatori nel documento. “Inoltre, mentre un robot aereo può librarsi sopra i bersagli, LEO può usare la sua locomozione a terra per avvicinarsi a loro per un'ispezione più ravvicinata. Quando LEO è a contatto con il suolo o cammina, può anche respingere grandi disturbi e prevenire la caduta anche su superfici estremamente scivolose utilizzando il controllo sincronizzato delle sue eliche distribuite e delle articolazioni delle gambe, consentendo così un movimento di camminata più robusto e preciso.
Ecco i dettagli. LEO ha un'altezza di 75 cm quando cammina e pesa 2.58 kg. Consiste di tre sottosistemi principali: un torso, un sistema di propulsione ad elica e due gambe con piedi puntati (vedi immagine sotto). Può funzionare in modo autonomo grazie ai suoi computer e sensori di bordo. La velocità nominale di camminata è di 20 cm/s, tuttavia, hanno affermato i ricercatori, la sua velocità al suolo può aumentare significativamente utilizzando il volo intermittente mentre si è vicini al suolo.
Didascalia: I principali componenti elettronici e meccanici di LEO. Clicca per ingrandire l'immagine. (Fonte: Caltech)
Ogni gamba ha tre servomotori (motori DC brushless) per l'azionamento: uno muove la struttura della gamba, mentre gli altri due servoattuatori guidano il meccanismo a gamba parallela. I motori BLDC incorporano riduttori ad alta riduzione e controllo di posizione integrato. "Il controller di posizione integrato è abbastanza preciso e veloce per il controllo delle gambe di LEO a causa della bassa inerzia delle gambe e dell'elevata larghezza di banda del controller dell'elica che stabilizza l'andatura a piedi", secondo i ricercatori.
LEO utilizza anche quattro eliche posizionate simmetricamente sulle spalle per stabilizzare e controllare le manovre di deambulazione e volo. "Gli assi di rotazione dell'elica sono selezionati per consentire la generazione di momenti di rollio, beccheggio e imbardata in entrambe le direzioni positive e negative rispetto al centro di massa (CoM) per il volo e rispetto all'attuale posizione del piede di posizione per camminare", secondo il carta.
Il busto, che collega braccia e gambe in un unico gruppo, ospita due computer di bordo, più sensori e due batterie ai polimeri di litio (LiPo) per alimentare il sistema. Un computer si interfaccia con i sensori, riceve comandi, stima gli stati in base alle letture dei sensori e calcola le traiettorie. Il secondo computer, che gestisce i controller di volo a piedi e in quota, si interfaccia direttamente con gli attuatori delle gambe e il controller del motore dell'elica, nonché con un'unità di misurazione inerziale (IMU) per informazioni sull'assetto a bassa latenza.
Didascalia: Architettura di controllo di LEO. Clicca per ingrandire l'immagine. (Fonte: Caltech)
Il team di Caltech ha eseguito una serie di test sia all'aperto che al chiuso. Questi test includevano camminare su un terreno pianeggiante, volare e camminare sincronizzati, camminare e stare in equilibrio su una corda allentata e guidare uno skateboard attorno ai coni stradali usando la spinta delle sue eliche.
Caltech ha riferito che i ricercatori hanno in programma di creare un design delle gambe più rigido in grado di supportare una parte maggiore del peso del robot e aumentare la forza di spinta delle eliche, oltre a rendere il robot più autonomo. Hanno anche in programma di aggiungere un algoritmo di controllo dell'atterraggio dei droni di nuova concezione che utilizza reti neurali profonde che aiuteranno LEO ad avere una migliore comprensione dell'ambiente per prendere le proprie decisioni sulla migliore combinazione di camminata, volo o movimento ibrido.
I coautori del documento includono Soon-Jo Chung, Bren Professor di Aerospace and Control and Dynamical Systems; Kyunam Kim, ricercatore post-dottorato al Caltech; Patrick Spieler, un ex membro del gruppo di Chung che è attualmente con il Jet Propulsion Laboratory, gestito da Caltech per la NASA; Elena-Sorina Lupu (MS '21), studentessa laureata al Caltech, e Alireza Ramezani, ex borsista postdottorato al Caltech e attualmente assistente professore alla Northeastern University. Questa ricerca è stata supportata dal Caltech Gary Clinard Innovation Fund e dal Caltech's Center for Autonomous Systems and Technologies.