¡Verdadera integración entre hombre y máquina! MIT lanza robot humanoide "Hermes" para controlar remotamente operaciones de rescate
Producido por Big Data Digest
Compilado por: Wang Yuanyuan, Li Lei, Song Xinyi
¿Alguna vez has soñado con la máquina implantada de Mobile Suit Gundam?
El MIT lanzó recientemente el robot humanoide Hermes, que puede moverse de manera flexible mediante operación por control remoto.
Los investigadores esperan que pueda sustituir a los humanos en misiones de búsqueda y rescate. Cuando se enfrenta a situaciones extremadamente peligrosas, el operador puede operar desde una perspectiva de primera persona a través de una pantalla montada en la cabeza.
La tragedia suena como una llamada de atención: la importancia de los robots de rescate
El desastre en la central nuclear de Fukushima Daiichi provocado por el terremoto y tsunami de Japón en 2011 sonó una llamada de atención para nosotros. En un desastre, la radiación de alto riesgo impide que los trabajadores tomen medidas de emergencia y ni siquiera pueden operar las válvulas de presión. En realidad, esta tarea es más adecuada para que la completen los robots, pero en ese momento, Japón u otras partes del mundo no tenían la capacidad de hacerla realidad.
El desastre de Fukushima hizo que muchos en la comunidad de la robótica se dieran cuenta de que los robots de rescate deben trasladarse del laboratorio al mundo.
Desde entonces, los robots de rescate han seguido logrando avances significativos. Grupos de investigación de todo el mundo han demostrado vehículos terrestres no tripulados que pueden atravesar grava, serpientes robóticas que pueden pasar por espacios estrechos y drones que mapean sitios en el cielo. Los investigadores también están construyendo robots biónicos que pueden medir daños y realizar tareas críticas, como utilizar paneles de control o transportar equipos de primeros auxilios.
A pesar de los avances, construir robots con las mismas capacidades de locomoción y toma de decisiones que los trabajadores de emergencia sigue siendo un desafío. Abrir puertas pesadas, retirar extintores y otras tareas sencillas pero difíciles requiere un nivel de coordinación que ningún robot ha sido capaz de dominar todavía.
Meter el cerebro humano dentro de la máquina
El robot de rescate ideal debe ser flexible y altamente autónomo. Por ejemplo, puede entrar de forma autónoma en un edificio en llamas para encontrar víctimas o encontrar válvulas que deben cerrarse en instalaciones industriales dañadas.
Sin embargo, las escenas de desastres son impredecibles, y caminar en estos entornos complejos requiere un alto grado de adaptabilidad, que los robots de rescate actuales aún no pueden lograr. Si el robot autónomo encuentra un pomo de puerta pero no puede encontrar una coincidencia en la base de datos de pomos, la tarea falla. Si el brazo robótico se atasca y no sabe cómo liberarse, la misión fracasa.
Los humanos afrontamos esta situación con facilidad: podemos adaptarnos y aprender sobre la marcha, podemos discernir cambios en la forma de los objetos, afrontar la mala visibilidad y podemos improvisar cómo utilizar nuevas herramientas sobre la marcha. lugar. Lo mismo ocurre con nuestras habilidades motoras. Por ejemplo, cuando corremos con pesas, podemos correr más lento o no tan lejos, pero aún podemos correr y nuestro cuerpo puede adaptarse fácilmente a los nuevos cambios.
¿No sería suficiente con meter un cerebro humano en una máquina?
Una solución a esta deficiencia es utilizar la teleoperación, que permite a un operador controlar de forma remota el robot de forma continua o durante tareas específicas para ayudarlo a completar operaciones más allá de sus propias capacidades.
Los robots controlados remotamente se utilizan desde hace mucho tiempo en entornos industriales, aeroespaciales y submarinos. Recientemente, algunos investigadores han intentado utilizar sistemas de captura de movimiento para transferir los movimientos humanos a robots biónicos en tiempo real: agitas los brazos y el robot imita tu postura. Para una experiencia totalmente inmersiva, unas gafas especiales permiten al operador ver lo que ve el robot a través de la cámara, y un chaleco háptico y guantes proporcionan una sensación de tacto al cuerpo del operador.
En el Laboratorio de Robots Biónicos del MIT, el equipo de investigación sigue promoviendo la integración hombre-máquina y desarrollando sistemas teleoperados, con la esperanza de acelerar el desarrollo de robots de rescate prácticos. Están construyendo un sistema robótico controlado remotamente que consta de dos partes: un robot biónico capaz de tener un comportamiento dinámico y flexible, y una nueva interfaz bidireccional hombre-máquina que puede comunicar los movimientos de humanos y robots entre sí.
Al vincular los robots con los humanos, los investigadores están combinando lo mejor de ambos mundos: la resistencia y la fuerza de los robots, y la versatilidad y percepción de los humanos.
Si el robot pisa escombros y comienza a perder el equilibrio, el operador sentirá la misma inestabilidad y reaccionará instintivamente para evitar una caída. Luego, esa reacción física se captura y se envía de regreso al robot, lo que ayuda a evitar que el robot se caiga. A través de esta interacción hombre-máquina, el robot puede utilizar las habilidades motoras innatas del operador y sus reflejos de fracciones de segundo para permanecer de pie.
Una mejora con respecto a los robots biónicos anteriores
Una limitación particular de los robots existentes es su incapacidad para realizar lo que llamamos manipulación de fuerza, es decir, habilidades laboriosas como girar un gran trozo de hormigón. romper o blandir un hacha contra una puerta. La mayoría de los robots sólo pueden realizar algunos movimientos finos y precisos.
El robot biónico HERMES lanzado por el laboratorio del MIT puede realizar manipulaciones pesadas. El robot pesa sólo 45 kilogramos pero es fuerte y potente. El tamaño de su cuerpo es aproximadamente el 90% del del cuerpo humano promedio, lo que le permite maniobrar de forma natural en un entorno humano.
En lugar de utilizar motores de CC convencionales, las juntas de HERMES funcionan mediante actuadores hechos a medida. Los actuadores incluyen un motor de CC sin escobillas fusionado a una caja de cambios planetaria, llamada así debido a sus tres engranajes "planetarios". alrededor de un engranaje "solar", que puede generar mucho torque para su peso. Los hombros y las caderas del robot son impulsados directamente, mientras que las rodillas y los codos son impulsados por varillas metálicas conectadas a actuadores. Esto hace que HERMES sea más flexible que otros robots biónicos, capaz de absorber impactos mecánicos sin romper los engranajes.
La interfaz hombre-máquina que controla HERMES también es diferente de la tradicional: se basa en la reacción del operador para mejorar la estabilidad del robot. Se llama interfaz de retroalimentación de equilibrio, o BFI para abreviar. BFI tardó meses y múltiples iteraciones en desarrollarse, y el concepto inicial tenía algunas similitudes con el traje de realidad virtual de cuerpo completo que aparece en la película Ready Player One de Steven Spielberg de 2018.
Pruebas experimentales específicas
Al cooperar con HERMES, el operador se para sobre una plataforma cuadrada con un lado de aproximadamente 90 cm, y la fuerza sobre la superficie de la plataforma se mide mediante un celda de carga para determinar la posición donde los pies del operador empujan hacia abajo. Un conjunto de eslabones se fijan a las extremidades y la cintura del operador y utilizan un codificador giratorio para medir con precisión el desplazamiento dentro de un centímetro. El varillaje no sólo se utiliza para detectar, sino que también alberga un motor que aplica fuerza y torsión al torso del operador. Estos eslabones ejercen un empuje sobre el cuerpo del operador cuando están sujetos al BFI.
Los investigadores prepararon dos ordenadores independientes para controlar HERMES y BFI. Cada computadora tiene su propio circuito de control y ambas partes intercambian datos constantemente. Al inicio de cada circuito, HERMES recoge sus propios datos posturales y los compara con los datos obtenidos del BFI sobre la postura del operador. Según la diferencia entre los dos, el robot ajusta su programa de ejecución e inmediatamente envía los nuevos datos de postura al BFI. Luego, el BFI también ejecuta un bucle de control similar para ajustar la postura del operador. Repita esto 1000 veces por segundo.
Para que ambas partes operen a alta velocidad es necesario comprimir la información que se intercambia entre ellas. Por ejemplo, BFI no envía datos detallados sobre la postura del operador, sólo la posición del centro de gravedad del operador y la posición relativa de sus manos y pies. Luego, la computadora que controla el robot escala estas medidas proporcionalmente a las dimensiones del HERMES, que luego reproduce la pose de referencia.
Al igual que con cualquier otro bucle teleoperado de dos vías, el acoplamiento entre BFI y HERMES puede provocar oscilaciones o inestabilidad, que pueden minimizarse ajustando los parámetros de escala del mapeo entre las posturas humana y robótica. cambiar.
En los experimentos iniciales, los investigadores le dieron a HERMES un algoritmo de equilibrio temprano para comprender cómo se comportarían los humanos y los robots juntos. Durante la prueba, un investigador golpeó a HERMES en la parte superior del cuerpo con un mazo de goma. Con cada golpe, BFI tendrá un impacto en el propio investigador. Habitualmente girará su cuerpo hacia un lado para recuperar el equilibrio, y el robot también puede mantener el equilibrio.
En otra ronda de experimentos, HERMES logró blandir un hacha y partir paneles de yeso. Bajo la supervisión del departamento de bomberos local, se utilizaron extintores para apagar los incendios. Los robots de rescate requieren más que fuerza bruta, por lo que HERMES y He también realizaron tareas que requerían más destreza, como verter agua de una tetera en una taza.
En cada caso, mientras el operador que llevaba el BFI simulaba realizar la tarea, los investigadores observaron qué tan bien el robot realizaba estas mismas acciones y registraron cuáles de las respuestas del operador ayudaron al robot a realizarla mejor. Por ejemplo, cuando HERMES parte paneles de yeso, su torso rebota. Casi al mismo tiempo, BFI ejerce un empuje similar sobre el operador, que habitualmente se inclina hacia adelante, ayudando así también a HERMES a ajustar su postura.
El pequeño HERMES está aquí para ayudar.
Porque HERMES todavía es demasiado grande para algunos experimentos y sus habilidades son demasiado fuertes. Si bien HERMES puede realizar tareas prácticas, moverlo requiere mucho tiempo y mucho cuidado para que se mueva, por lo que los investigadores le dieron a HERMES un hermano pequeño.
Little HERMES es una versión más pequeña de HERMES. Al igual que su hermano mayor HERMES, Little HERMES también utiliza una unidad de ejecución de alto torque hecha a medida y montada cerca del cuerpo en lugar de en las piernas, lo que permite movimientos más flexibles de las piernas. Lograr un diseño más compacto, en términos de robótica, implica reducir el número de ejes de movimiento, o grados de libertad, de seis a tres en cada extremidad, y reemplazar los pies de dos dedos de HERMES con simples pelotas de goma, cada pie está equipado con. un sensor de fuerza de tres vías.
La conexión de BFI con Little HERMES requiere ajustes. Existe una gran diferencia en el tamaño del cuerpo entre un adulto humano y este pequeño robot. Por lo tanto, cuando los investigadores no pueden correlacionar directamente los movimientos de los dos, como corresponder la posición de la rodilla humana con la posición de la rodilla del robot, etc. el robot se moverá de manera muy diferente y suave.
El pequeño HERMES requiere un modelo matemático diferente al de HERMES. En el nuevo modelo, los investigadores agregaron parámetros de seguimiento, como la fuerza de contacto con el suelo y el centro de gravedad del operador. Esto permite que el nuevo modelo prediga las acciones que el operador pretende realizar, controlando así a Little HERMES para que realice esas acciones.
En un experimento, el operador caminó lentamente paso a paso, luego aumentó la velocidad y caminó rápidamente. Se puede observar que el pequeño HERMES también caminaba de la misma manera. Cuando el operador saltó, también lo hizo el Pequeño HERMES. Aún estamos en las primeras etapas de progreso y el pequeño HERMES aún no es libre de estar de pie o moverse.
Los investigadores aún están ampliando aún más su funcionalidad, con la esperanza de permitirle deambular por el laboratorio e incluso salir al aire libre, al igual que los otros dos hermanos Cheetah y Mini Cheetah que ya se han completado.
Objetivos de la investigación del próximo paso
Aún quedan una serie de problemas por resolver. Uno es el problema de fatiga causado por los operadores después de usar BFI durante mucho tiempo o realizar tareas con alta concentración. Los experimentos muestran que cuando los operadores tienen que controlar no sólo sus propios cuerpos sino también las máquinas, sus cerebros se cansan rápidamente. Esto es especialmente cierto para tareas que requieren una manipulación delicada, donde el operador debe tomar un descanso después de tres repeticiones consecutivas del experimento.
La solución actual es responsabilizar conjuntamente al operador y al controlador de estabilizar los movimientos del robot. Si la tarea que realiza HERMES requiere más atención del operador, entonces el operador no tiene que ayudar a mantener el equilibrio del robot y el controlador autónomo puede asumir el control del equilibrio del robot. Una forma de identificar tales situaciones es seguir la mirada del operador. La mirada del operador indica una alta concentración de atención, en cuyo caso se activa el modo de equilibrio autónomo.
Como ocurre con cualquier sistema operativo remoto, otra dificultad es la latencia de transmisión. Al controlar un robot de forma remota, si hay un retraso de 1 segundo entre el comando emitido y la respuesta del robot, aún puede operarlo de forma remota, pero si el retraso se prolonga, es posible que la operación no se realice sin problemas. Los planes actuales pasan por confiar en nuevas tecnologías inalámbricas, como 5G, que garantizan transmisiones de baja latencia y alto rendimiento.
Por último, los investigadores también planean fusionar las tecnologías de Cheetah y HERMES, los robots verticales desarrollados en el laboratorio, para producir un robot cuadrúpedo de rápido movimiento que pueda entrar rápidamente en escenas de desastres sobre cuatro patas y pueda también transformar Es un robot vertical para que el personal de socorro en casos de desastre pueda utilizar su rica experiencia, habilidades y reacciones para permitir que el robot lleve a cabo misiones de rescate.
Enlace original:
https://spectrum.ieee.org/robotics/humanoids/human-reflexes-help-mits-hermes-rescue-robot-keep-its-footing