LEO: O robô bípede que pode andar de skate e de slackline

LEO cria um novo tipo de locomoção em algum lugar entre andar e voar.

Os pesquisadores da Caltech construíram um robô bípede que combina andar com voar para criar um novo tipo de locomoção, tornando-o excepcionalmente ágil e capaz de movimentos complexos.

Parte robô ambulante, parte drone voador, o recém-desenvolvido LEONARDO (abreviação de LEgs ONboARD drOne ou LEO) pode andar no slackline, pular e até andar de skate. Desenvolvido por uma equipe do Centro de Sistemas Autônomos e Tecnologias (CAST) da Caltech , LEO é o primeiro robô que usa pernas multiarticulares e propulsores baseados em hélice para obter um bom grau de controle sobre seu equilíbrio.

Um artigo sobre o robô LEO foi publicado online em 6 de outubro e foi apresentado na capa de outubro de 2021 da Science Robotics.

"Nós nos inspiramos na natureza. Pense em como os pássaros são capazes de bater asas e pular para navegar nas linhas telefônicas", diz Soon-Jo Chung, autor correspondente e professor Bren de Aeroespacial e Controle e Sistemas Dinâmicos. "Um comportamento complexo, porém intrigante, acontece quando os pássaros se movem entre o andar e o vôo. Queríamos entender e aprender com isso."

“Há uma semelhança entre como um ser humano vestindo um traje a jato controla suas pernas e pés ao pousar ou decolar e como o LEO usa o controle sincronizado de propulsores baseados em hélice e articulações de perna distribuídas”, acrescenta Chung. "Queríamos estudar a interface de andar e voar do ponto de vista da dinâmica e do controle."

Os robôs bípedes são capazes de lidar com terrenos complexos do mundo real usando o mesmo tipo de movimentos que os humanos usam, como pular, correr ou até mesmo subir escadas, mas são impedidos por terrenos acidentados. Os robôs voadores navegam facilmente por terrenos difíceis simplesmente evitando o solo, mas enfrentam seu próprio conjunto de limitações: alto consumo de energia durante o vôo e capacidade limitada de carga útil. "Robôs com capacidade de locomoção multimodal são capazes de se mover em ambientes desafiadores com mais eficiência do que robôs tradicionais, alternando adequadamente entre seus meios de movimento disponíveis. Em particular, o LEO visa preencher a lacuna entre os dois domínios díspares da locomoção aérea e bípede que são normalmente não entrelaçados em sistemas robóticos existentes ", diz Kyunam Kim, pesquisador de pós-doutorado na Caltech e coautor principal do Artigo da Science Robotics.


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Ao usar um movimento híbrido que fica em algum lugar entre andar e voar, os pesquisadores obtêm o melhor dos dois mundos em termos de locomoção. As pernas leves do LEO aliviam o estresse de seus propulsores suportando a maior parte do peso, mas como os propulsores são controlados em sincronia com as articulações das pernas, o LEO tem um equilíbrio incrível.

"Com base nos tipos de obstáculos que precisa atravessar, o LEO pode optar por andar ou voar, ou combinar os dois, conforme necessário. Além disso, o LEO é capaz de realizar manobras de locomoção incomuns que mesmo em humanos exigem domínio do equilíbrio, como andar em um slackline e andar de skate", diz Patrick Spieler, coautor principal do artigo da  Science Robotics e ex-membro do grupo de Chung que atualmente trabalha no Jet Propulsion Laboratory, administrado pela Caltech para a NASA.

O LEO tem 2,5 metros de altura e é equipado com duas pernas que possuem três articulações atuadas, junto com quatro propulsores de hélice montados em um ângulo nos ombros do robô. Quando uma pessoa caminha, ela ajusta a posição e a orientação de suas pernas para fazer com que seu centro de massa se mova para a frente enquanto o equilíbrio do corpo é mantido. LEO também caminha dessa maneira: as hélices garantem que o robô esteja em pé enquanto caminha, e os atuadores das pernas mudam a posição das pernas para mover o centro de massa do robô para frente por meio do uso de um controlador sincronizado de movimento e vôo. Em vôo, o robô usa suas hélices sozinho e voa como um drone. 

"Por causa de suas hélices, você pode cutucar o LEO com muita força sem realmente derrubar o robô", diz Elena-Sorina Lupu, estudante de graduação na Caltech e coautora do artigo Science Robotics. O projeto LEO foi iniciado no verão de 2019.

Em seguida, a equipe planeja melhorar o desempenho do LEO criando um design de perna mais rígido, capaz de suportar mais o peso do robô e aumentar a força de impulso das hélices. Além disso, eles esperam tornar o LEO mais autônomo para que o robô possa entender quanto de seu peso é suportado por pernas e quanto precisa ser suportado por hélices ao caminhar em terrenos acidentados.

Os pesquisadores também planejam equipar o LEO com um algoritmo de controle de pouso de drones recentemente desenvolvido que utiliza redes neurais profundas. Com uma melhor compreensão do ambiente, a LEO pode tomar suas próprias decisões sobre a melhor combinação de andar, voar ou movimento híbrido que deve usar para se mover de um lugar para outro com base no que é mais seguro e no que usa menos energia.

"No momento, o LEO usa hélices para se equilibrar durante a caminhada, o que significa que usa energia de maneira bastante ineficiente. Estamos planejando melhorar o design das pernas para fazer o LEO andar e se equilibrar com o mínimo de ajuda das hélices", disse Lupu, que continuará trabalhando no LEO ao longo de seu programa de doutorado. 

No mundo real, a tecnologia projetada para LEO poderia promover o desenvolvimento de sistemas de trem de pouso adaptativos compostos de juntas de perna controladas para robôs aéreos e outros tipos de veículos voadores. A equipe prevê que o futuro helicóptero de Marte poderia ser equipado com trem de pouso com pernas para que o equilíbrio do corpo desses robôs aéreos possa ser mantido enquanto pousam em terrenos inclinados ou irregulares, reduzindo assim o risco de falha em condições de pouso desafiadoras.

*Artigo original aqui.




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