Un système inspiré d’un vaisseau spatial améliore l’agilité et l’équilibre du quadrupède

“Cette expérience était énorme”, a déclaré Zachary Manchester, professeur adjoint au RI et chef du Robotic Exploration Lab. “Je ne pense pas que quelqu’un ait jamais réussi à marcher sur une poutre d’équilibre avec un robot auparavant.”

En tirant parti du matériel souvent utilisé pour contrôler les satellites dans l’espace, Manchester et son équipe ont compensé les contraintes existantes dans la conception du quadrupède pour améliorer ses capacités d’équilibrage.

Les éléments standard de la plupart des robots quadrupèdes modernes comprennent un torse et quatre jambes qui se terminent chacune par un pied arrondi, permettant au robot de traverser des surfaces planes de base et même de monter des escaliers. Leur conception ressemble à un animal à quatre pattes, mais contrairement aux guépards qui peuvent utiliser leur queue pour contrôler les virages serrés ou les chats qui tombent qui ajustent leur orientation dans les airs à l’aide de leurs épines flexibles, les robots quadrupèdes n’ont pas une telle agilité instinctive. Tant que trois des pieds du robot restent en contact avec le sol, il peut éviter de basculer. Mais si seulement un ou deux pieds sont au sol, le robot ne peut pas facilement corriger les perturbations et a un risque de chute beaucoup plus élevé. Ce manque d’équilibre rend la marche sur un terrain accidenté particulièrement difficile.

“Avec les méthodes de contrôle actuelles, le corps et les jambes d’un robot quadrupède sont découplés et ne se parlent pas pour coordonner leurs mouvements”, a déclaré Manchester. « Alors, comment pouvons-nous améliorer leur équilibre ? »

La solution de l’équipe utilise un système d’actionneur de roue de réaction (RWA) qui se monte à l’arrière d’un robot quadrupède. Grâce à une nouvelle technique de contrôle, le RWA permet au robot de s’équilibrer indépendamment de la position de ses pieds.

Les RWA sont largement utilisés dans l’industrie aérospatiale pour effectuer le contrôle d’attitude sur les satellites en manipulant le moment cinétique de l’engin spatial.

“Vous avez essentiellement un gros volant d’inertie avec un moteur attaché”, a déclaré Manchester, qui a travaillé sur le projet avec l’étudiant diplômé du RI Chi-Yen Lee et les étudiants diplômés en génie mécanique Shuo Yang et Benjamin Boksor. “Si vous faites tourner le lourd volant d’inertie dans un sens, cela fait tourner le satellite dans l’autre sens. Maintenant, prenez cela et placez-le sur le corps d’un robot quadrupède.”

L’équipe a prototypé son approche en montant deux RWA sur un robot commercial Unitree A1 – un sur l’axe de tangage et un sur l’axe de roulis – pour contrôler le moment cinétique du robot. Avec le RWA, peu importe si les jambes du robot sont en contact avec le sol ou non, car les RWA permettent un contrôle indépendant de l’orientation du corps.

Manchester a déclaré qu’il était facile de modifier un cadre de contrôle existant pour tenir compte des RWA, car le matériel ne modifie pas la distribution de masse du robot et n’a pas non plus les limitations communes d’une queue ou d’une colonne vertébrale. Sans avoir à tenir compte de ces contraintes, le matériel peut être modélisé comme un gyrostat (un modèle idéalisé d’un engin spatial) et intégré dans un algorithme de contrôle prédictif de modèle standard.

L’équipe a testé son système avec une série d’expériences réussies qui ont démontré la capacité accrue du robot à se remettre d’impacts soudains. En simulation, ils ont imité le problème classique du chat qui tombe en laissant tomber le robot à l’envers de près d’un demi-mètre, les RWA permettant au robot de se réorienter dans les airs et d’atterrir sur ses pieds. Sur le matériel, ils ont montré la capacité du robot à se remettre des perturbations – ainsi que la capacité d’équilibrage du système – avec une expérience où le robot marchait le long d’une poutre d’équilibre de 6 centimètres de large.

Manchester prédit que les robots quadrupèdes passeront bientôt d’être principalement des plates-formes de recherche dans les laboratoires à des produits à usage commercial largement disponibles, similaires à ce qu’étaient les drones il y a environ 10 ans. Et avec un travail continu pour améliorer les capacités de stabilisation d’un robot quadrupède pour correspondre aux animaux instinctifs à quatre pattes qui ont inspiré leur conception, ils pourraient être utilisés dans des scénarios à enjeux élevés comme la recherche et le sauvetage à l’avenir.

“Les quadrupèdes sont la prochaine grande chose dans les robots”, a déclaré Manchester. “Je pense que vous allez en voir beaucoup plus dans la nature au cours des prochaines années.”

Vidéo: https://youtu.be/tH3oP2s3NOQ