Mini ghepardo è il primo robot quadrupede che fa le capriole

Per gli sviluppatori il design leggero e ad alta potenza di questo robot rappresenta la piattaforma perfetta per condividere e giocare.

Il nuovo mini robot ghepardo del Massachusetts Institute of Technology è elastico e leggero. Può esibirsi, con estrema scioltezza, in una gamma molto ampia di movimenti: può piegarsi e allargare le gambe, permettendogli di camminare sia a destra che a testa in giù. Il robot può anche camminare su terreni sconnessi a circa il doppio della velocità di camminata di una persona media.

Con un peso di soli 9 chilogrammi il quadrupede possiede una elevata agilità: quando viene calciato a terra, il robot può velocemente raddrizzarsi. Ha la capacità di eseguire una capriola a 360 gradi da una posizione eretta. I ricercatori affermano che il mini robot ghepardo è stato progettato per essere praticamente indistruttibile: Se una capriola all'indietro finisse con un esito negativo i danni alla sue parti meccaniche sarebbero praticamente irrilevanti.

Nel caso in cui un arto o un motore si rompono, il mini ghepardo è progettato con una tecnologia modulare: ciascuna delle gambe del robot è azionata da tre motori elettrici identici, a basso costo, che i ricercatori hanno progettato utilizzando parti pronte per l'uso. Ogni motore può essere facilmente sostituito con uno nuovo. "Potresti mettere insieme queste parti, quasi come i Lego", afferma lo sviluppatore capo Benjamin Katz, (1) un tecnico associato nel Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT.

I ricercatori presenteranno il design del mini ghepardo alla Conferenza internazionale sulla robotica e l'automazione che si terrà a maggio. Attualmente i meccanici stanno costruendo più macchine a quattro zampe, puntando a un set di 10, con l'intento anche di poterli prestare ad altri laboratori.

"Il più importante motivo per cui abbiamo costruito questo robot è la facilità con la quale lo si può sperimentare. Il robot è molto robusto per cui non si rompe facilmente. Tuttavia, nel caso in cui si rompesse è facilmente sistemabile a costi ridotti", dice Benjamin Katz, che ha lavorato al robot nel laboratorio di Sangbae Kim, (2) professore associato di ingegneria meccanica.

Sulla medesima linea di pensiero di Benjamin Katz, pure l'ingegner Sangbae Kim è convinto che prestare robot mini ghepardi ad altri gruppi di ricerca offre agli ingegneri l'opportunità di testare nuovi algoritmi e manovre su un robot altamente dinamico, a cui altrimenti non avrebbero accesso. "Alla fine, spero che potremmo fare una corsa di cani robot attraverso un percorso a ostacoli, in cui ogni squadra controlla un mini ghepardo con diversi algoritmi. Ciò ci permetterà di individuare la strategia più efficace", afferma Sangbae Kim. "È in questo modo che si accelera la ricerca."

Il mini ghepardo è più di una versione in miniatura del suo predecessore, Cheetah 3, un robot grande, pesante e formidabile, che spesso ha bisogno di essere stabilizzato con corde per proteggere le sue costose parti personalizzate. "In Cheetah 3, tutto è super integrato per cui, se vuoi cambiare qualcosa, devi fare tanta riprogettazione", dice Benjamin Katz. "Con il mini robot ghepardo se si desidera aggiungere un altro braccio è sufficiente aggiungere tre o quattro di questi motori modulari."

Il dottor Benjamin Katz ha ideato il progetto del motore elettrico riconfigurando le parti su piccoli motori commercialmente disponibili, normalmente utilizzati nei droni e negli aerei telecomandati. Ciascuno dei 12 motori del robot ha le dimensioni del coperchio di un barattolo di vetro e consiste di:

• uno statore, o un insieme di bobine, che genera un campo magnetico rotante;
• un piccolo controller che trasmette la quantità di corrente che lo statore dovrebbe produrre;
• un rotore, rivestito di magneti, che ruota con il campo dello statore, producendo una coppia per sollevare o ruotare un arto;
• un cambio che fornisce una riduzione dell'ingranaggio 6:1, consentendo al rotore di fornire una coppia sei volte superiore a quella normale;
• un sensore di posizione che misura l'angolo e l'orientamento del motore e dell'arto associato.

Ogni gamba è azionata da tre motori, per conferirgli tre gradi di libertà e una vasta gamma di movimenti. Il design leggero a bassa inerzia consente al robot di eseguire manovre rapide e dinamiche e di effettuare impatti violenti a terra senza rotture di cambi o di arti. "La velocità con cui può cambiare le forze sul terreno è molto elevata", spiega Benjamin Katz, "quando è in movimento, i suoi piedi toccano il suolo per qualcosa come 150 millisecondi alla volta durante i quali un computer gestisce la forza sul piede per mutare, bilanciare e diminuire la sua direzione con estrema velocità. Questo gli permette di effettuare prestazioni davvero dinamiche, come saltare in aria ad ogni passo o correre con due piedi per terra alla volta."

Gli ingegneri hanno progettato il mini ghepardo testando la sua abilità di corsa attraverso i corridoi del Pappalardo Lab del MIT e lungo il terreno leggermente accidentato di Killian Court. Il team ha scritto un altro codice informatico che gli permette di effettuare una serie di movimenti ispirati allo yoga in cui il robot è in grado di ruotare gli arti e le articolazioni mantenendo l'equilibrio. Gli scienziati hanno anche programmato il robot per recuperare da una forza inaspettata, come ad esempio nel caso che subisca un calcio laterale.

Il robot si è spento automaticamente nel momento in cui i ricercatori lo hanno spinto a terra con un calcio. Quando riceve un segnale per il riavvio, il robot per prima cosa determina l'orientamento, quindi esegue una piegatura preprogrammata o una manovra di oscillazione del gomito per risollevarsi e raddrizzarsi sulle quattro zampe.

Benjamin Katz e il co-autore Jared Di Carlo, uno studente universitario del Dipartimento di ingegneria elettrica e informatica (EECS), si sono chiesti se il robot potesse intraprendere manovre ancora più potenti. Ispirati da una lezione che hanno tenuto l'anno scorso e supportati dal professor Russ Tedrake di EECS, (3) hanno iniziato a programmare il mini ghepardo per eseguire una capriola.

"Abbiamo pensato che sarebbe stato un buon test delle prestazioni del robot perché richiede molta potenza e ci sono enormi impatti alla fine di un lancio", afferma Katz.

Il team sta costruendo 10 altri mini ghepardi, che verranno dati in prestito a gruppi di collaborazione. Sangbae Kim intende formare un mini-consorzio di ingegneri che può inventare, scambiare e persino competere nuove idee.

Riferimenti:

(1) Benjamin Katz

(2) Sangbae Kim

(3) Russ Tedrake

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Mini cheetah is the first four-legged robot to do a backflip / Foto: Bryce Vickmark - MIT / Video: Melanie Gonick - MIT