Robot à deux pattes imitant l’équilibre humain en courant et en sautant
Sauver les victimes d’un bâtiment en feu, d’un déversement de produits chimiques ou de toute autre catastrophe inaccessible aux intervenants humains pourrait un jour être une mission pour des robots résistants et adaptables. Imaginez, par exemple, des robots de sauvetage qui peuvent se faufiler dans les décombres à quatre pattes, puis se lever sur deux pattes pour repousser un obstacle lourd ou percer une porte verrouillée.
Les ingénieurs font des progrès dans la conception de robots à quatre pattes et dans leur capacité de courir, de sauter et même de faire des saut en arrière. Mais faire en sorte que des robots humanoïdes à deux pattes exercent une force ou poussent contre quelque chose sans tomber a été une pierre d’achoppement importante.
Les ingénieurs du MIT et de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign ont mis au point une méthode pour contrôler l’équilibre d’un robot téléguidé à deux pattes – une étape essentielle pour permettre à un humanoïde d’effectuer des tâches à fort impact dans des environnements difficiles.
Le robot de l’équipe, qui ressemble physiquement à un torse usiné et deux jambes, est contrôlé à distance par un opérateur humain portant une veste qui transmet au robot des informations sur le mouvement de l’homme et les forces de réaction au sol.
Grâce à la veste, l’opérateur humain peut à la fois diriger la locomotion du robot et sentir les mouvements du robot. Si le robot commence à basculer, l’humain ressent une traction correspondante sur la veste et peut s’ajuster de manière à rééquilibrer à la fois le robot et lui-même.
Lors d’expériences avec le robot pour tester cette nouvelle approche de » retour d’équilibre « , les chercheurs ont pu maintenir à distance l’équilibre du robot pendant qu’il sautait et marchait en place en synchronisation avec son opérateur humain.
« C’est comme courir avec un sac à dos lourd – vous pouvez sentir comment la dynamique du sac à dos se déplace autour de vous, et vous pouvez compenser correctement », dit Joao Ramos, qui a développé l’approche comme un post-doc du MIT. « Si vous voulez ouvrir une porte lourde, l’humain peut ordonner au robot de jeter son corps à la porte et de l’ouvrir, sans perdre l’équilibre. »
Ramos, qui est maintenant professeur adjoint à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, a détaillé l’approche dans une étude publiée aujourd’hui dans la revue Robotique scientifique. Son co-auteur sur l’étude est Sangbae Kim, professeur agrégé de génie mécanique au MIT.
Plus que du mouvement
Auparavant, Kim et Ramos ont construit le robot à deux pattes HERMES (pour Highly Efficient Robotic Mechanisms and Electromechanical System) et a mis au point des méthodes pour imiter les mouvements d’un opérateur par téléopération, une approche qui, selon les chercheurs, comporte certains avantages humanistes.
« Parce que vous avez une personne qui peut apprendre et s’adapter à la volée, un robot peut exécuter des mouvements qu’il n’a jamais pratiqués auparavant (par téléopération) « , dit Ramos.
Lors de démonstrations, HERMES a versé du café dans une tasse, utilisé une hache pour couper du bois et manipulé un extincteur pour éteindre un incendie.
Toutes ces tâches ont impliqué le haut du corps du robot et des algorithmes pour faire correspondre le positionnement du membre du robot avec celui de son opérateur. HERMES a été en mesure d’effectuer des mouvements à fort impact parce que le robot était enraciné en place. Dans ces cas-là, l’équilibre était beaucoup plus facile à maintenir. Toutefois, si le robot avait dû prendre des mesures, il se serait probablement renversé en essayant de reproduire les mouvements de l’opérateur.
« Nous nous sommes rendu compte que pour générer des forces élevées ou déplacer des objets lourds, il ne suffirait pas de copier des mouvements, car le robot tomberait facilement « , explique Kim. « Nous avions besoin de copier l’équilibre dynamique de l’opérateur. »
Voici Little HERMES, une version miniature d’HERMES qui fait environ un tiers de la taille d’un adulte humain moyen. L’équipe a conçu le robot comme un simple torse et deux jambes, et a conçu le système spécifiquement pour tester les tâches du bas du corps, comme la locomotion et l’équilibre. Comme son homologue sur tout le corps, Little HERMES est conçu pour la téléopération, avec un opérateur vêtu d’une veste pour contrôler les actions du robot.
Pour que le robot puisse copier l’équilibre de l’opérateur plutôt que seulement ses mouvements, l’équipe devait d’abord trouver un moyen simple de représenter l’équilibre. Ramos s’est finalement rendu compte que l’équilibre pouvait être réduit à deux ingrédients principaux : le centre de masse d’une personne et son centre de pression – essentiellement, un point sur le sol où une force équivalente à toutes les forces de soutien est exercée.
L’emplacement du centre de masse par rapport au centre de pression, selon Ramos, est directement lié au degré d’équilibre d’une personne à un moment donné. Il a également découvert que la position de ces deux ingrédients pouvait être physiquement représentée comme un pendule inversé. Imaginez que vous vous balanciez d’un côté à l’autre tout en restant ancré au même endroit. L’effet est similaire au balancement d’un pendule à l’envers, l’extrémité supérieure représentant le centre de masse de l’être humain (habituellement dans le torse) et l’extrémité inférieure représentant son centre de pression au sol.
Levage de charges lourdes
Pour définir la relation entre le centre de masse et le centre de pression, Ramos a recueilli des données sur le mouvement de l’homme, y compris des mesures en laboratoire, où il se balançait d’avant en arrière, marchait en place et sautait sur une plaque de force qui mesurait les forces qu’il exerçait sur le sol, à mesure que la position des pieds et du torse était enregistrée. Il a ensuite condensé ces données en mesures du centre de masse et du centre de pression, et a développé un modèle pour représenter chacun par rapport à l’autre, comme un pendule inversé.
Il a ensuite mis au point un deuxième modèle, semblable au modèle d’équilibre humain, mais adapté aux dimensions du robot plus petit et plus léger, et il a mis au point un algorithme de commande pour relier les deux modèles et permettre une rétroaction entre eux.
Les chercheurs ont testé ce modèle de retour d’équilibre, d’abord sur un simple pendule inversé qu’ils ont construit en laboratoire, sous la forme d’un faisceau de la même hauteur que Little HERMES. Ils ont relié le faisceau à leur système de téléopération, et il a oscillé dans les deux sens le long d’une voie en réponse aux mouvements d’un opérateur. Comme l’opérateur se balançait d’un côté, la poutre a fait de même – un mouvement que l’opérateur pouvait également sentir à travers la sangle. Si le faisceau oscille trop, l’opérateur, sentant la traction, peut se pencher dans l’autre sens pour compenser et maintenir le faisceau en équilibre.
Les expériences ont montré que le nouveau modèle de rétroaction pourrait fonctionner pour maintenir l’équilibre sur le faisceau, de sorte que les chercheurs ont ensuite essayé le modèle sur Little HERMES. Ils ont également mis au point un algorithme permettant au robot de traduire automatiquement le modèle simple d’équilibre en forces que chacun de ses pieds devrait générer, pour copier les pieds de l’opérateur.
Au laboratoire, Ramos a découvert qu’en portant la veste, non seulement il pouvait contrôler les mouvements et l’équilibre du robot, mais il pouvait aussi sentir les mouvements du robot. Lorsque le robot a été frappé avec un marteau venant de différentes directions, Ramos a senti la secousse de la veste dans la direction où le robot se déplaçait. Ramos résista instinctivement au remorqueur, que le robot enregistra comme un subtil déplacement du centre de masse par rapport au centre de pression, qu’il imita à son tour. Il en résulte que le robot a été capable de ne pas se renverser, même en cas de coups répétés sur son corps.
Le petit HERMES a également imité Ramos dans d’autres exercices, y compris la course et le saut en place, et la marche sur un sol inégal, tout en maintenant son équilibre sans l’aide d’attaches ou de supports.
« La rétroaction sur l’équilibre est une chose difficile à définir parce que c’est quelque chose que nous faisons sans réfléchir « , dit Kim. « C’est la première fois que la rétroaction de la balance est correctement définie pour les actions dynamiques. Cela changera notre façon de contrôler un humanoïde téléopéré. »
Kim et Ramos continueront de travailler à la mise au point d’un humanoïde corporel complet avec un contrôle de l’équilibre similaire, afin de pouvoir un jour galoper à travers une zone sinistrée et se lever pour repousser les barrières dans le cadre de missions de sauvetage ou de sauvetage.
« Maintenant, nous pouvons ouvrir des portes lourdes ou soulever ou lancer des objets lourds, avec une communication équilibrée « , dit Kim.
Cette recherche a été appuyée, en partie, par Hon Hai Precision Industry Co. Ltd. et Naver Labs Corporation.
