Quatre

Université Carnegie Mellon, Pittsburgh, Pennsylvanie

Des chercheurs de l'Institut de robotique (RI) de l'Université Carnegie Mellon ont conçu un système qui rend un robot quadrupède disponible dans le commerce suffisamment agile pour parcourir une poutre d'équilibre étroite – un exploit qui est probablement le premier du genre.

"Cette expérience était énorme", a déclaré Zachary Manchester, professeur adjoint au RI et directeur du laboratoire d'exploration robotique. "Je ne pense pas que quiconque ait jamais réussi à marcher avec un robot auparavant."

En exploitant le matériel souvent utilisé pour contrôler les satellites dans l'espace, Manchester et son équipe ont compensé les contraintes existantes dans la conception du quadrupède afin d'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 plates et basiques 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 aux 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 reposent sur le sol, le robot ne peut pas facilement corriger les perturbations et présente un risque de chute beaucoup plus élevé. Ce manque d’équilibre rend la marche sur 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 des satellites en manipulant le moment cinétique du vaisseau spatial.

"En gros, vous avez un gros volant d'inertie auquel est fixé un moteur", a déclaré Manchester, qui a travaillé sur le projet avec Chi-Yen Lee, étudiant diplômé du RI, et Shuo Yang et Benjamin Boksor, étudiants diplômés en génie mécanique. « Si vous faites tourner le lourd volant d’inertie dans un sens, le satellite tourne dans l’autre sens. Maintenant, prends ça et mets-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 permettre de contrôler le moment cinétique du robot. Avec les RWA, peu importe que les jambes du robot soient 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 répartition de masse du robot et n'a pas non plus les limitations conjointes d'une queue ou d'une colonne vertébrale. Sans avoir à prendre en compte de telles contraintes, le matériel peut être modélisé comme un gyrostat (un modèle idéalisé d'engin spatial) et intégré dans un algorithme de contrôle prédictif standard.

L'équipe a testé son système avec une série d'expériences réussies qui ont démontré la capacité améliorée du robot à se remettre d'impacts soudains. En simulation, ils ont imité le problème classique de la chute d'un chat en faisant tomber le robot la tête en bas 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 plan matériel, ils ont montré la capacité du robot à se remettre des perturbations – ainsi que la capacité d'équilibrage du système – avec une expérience dans laquelle le robot marchait le long d'une poutre d'équilibre de 6 centimètres de large.

Manchester prédit que les robots quadrupèdes passeront bientôt du statut de plates-formes de recherche dans les laboratoires à des produits largement disponibles à usage commercial, à l'instar des drones il y a environ 10 ans. Et avec des travaux continus visant à 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 le futur dans des scénarios à enjeux élevés comme la recherche et le sauvetage.