Atuadores pneumáticos dão robô Cheetah

Os motores elétricos ajudaram a trazer os robôs com pernas para o mercado, oferecendo uma maneira simples e compacta de controlar membros robóticos com todos os recursos de controle sofisticados que você precisa para movimentos seguros e ágeis. O que você não consegue obter dos motores elétricos (pelo menos mais de uma vez) é o tipo de energia instantânea necessária para corresponder ao desempenho dos músculos biológicos. É por isso que o Atlas, sem dúvida o robô mais poderoso e dinâmico que existe atualmente, usa atuadores hidráulicos – para fazer um robô de tamanho humano dar um salto mortal para trás, essa é praticamente a única maneira de obter a potência que você precisa.

Inspirados pelas manobras em alta velocidade das chitas, os roboticistas da Universidade da Cidade do Cabo, na África do Sul, começaram a fazer experiências com o irmão da velha escola dos actuadores hidráulicos – os pneumáticos. Ao usar gás como fluido de trabalho em vez de líquido, você pode obter uma alta relação força-peso em um formato relativamente simples e barato, com conformidade integrada que falta à hidráulica. A pneumática é fácil de controlar? Não! Mas para fazer um robô funcionar como uma chita, acontece que um controle complicado pode nem ser necessário.

“Estamos argumentando que talvez não seja necessário um bom controle da força para uma manobrabilidade rápida.” — Amir Patel, Universidade da Cidade do Cabo, África do Sul

Primeiro, vamos falar sobre o que há de errado com a hidráulica – porque a hidráulica é complicada, cara e pode causar muita bagunça caso exploda, o que às vezes acontece. E embora a natureza não conforme da hidráulica torne-a mais fácil de modelar e controlar, também a torna menos tolerante no uso no mundo real. Se você voltar o suficiente, até a década de 1980, quando Marc Raibert estava desenvolvendo robôs dinâmicos com pernas no MIT, esses robôs que corriam e saltavam dependiam da pneumática em vez da hidráulica, porque a pneumática era muito mais fácil de implementar.

Uma grande razão pela qual todos parecem estar usando a hidráulica em vez da pneumática hoje em dia é que o ar é compressível, o que é ótimo para conformidade integrada, mas atrapalha a maioria dos métodos de controle tradicionais. “O controle preciso da força é difícil com este atuador e a maioria o evita”, explica Amir Patel, professor associado da Universidade da Cidade do Cabo. “A hidráulica não é compressível e pode fazer coisas incríveis, mas é um pouco mais cara que a pneumática. E quando olhamos para animais que exigem movimentos explosivos de seus membros, pensamos que a pneumática seria um atuador bom, e muitas vezes esquecido.”

Patel fez uma enorme pesquisa sobre a biomecânica da chita. Já escrevemos sobre algumas delas no passado. (Por exemplo, veja por que as chitas têm caudas fofas.) Mas recentemente, Patel tem tentado encontrar maneiras de rastrear a dinâmica das chitas com altíssima fidelidade para descobrir como elas são capazes de se mover da maneira que o fazem. Isso seria fácil se as chitas cooperassem, mas pelo que parece, tentar fazê-las correr diretamente sobre uma pequena plataforma de força ou fazer a manobra desejada enquanto estão na visão ideal das câmeras que você configurou é meio que um pesadelo. Grande parte deste trabalho está em andamento, mas Patel já aprendeu o suficiente para sugerir uma nova abordagem à locomoção inspirada na chita. “Com base nos anos que passamos estudando guepardos aqui na África do Sul, parece que eles não estão realmente tentando fazer um controle preciso da força ao acelerar a partir do repouso”, diz Patel. “Eles estão empurrando o máximo que podem, o que nos faz pensar que um atuador liga/desliga [também conhecido como controlador bang-bang], como o pneumático, poderia fazer esse trabalho. Estamos argumentando que o controle preciso da força talvez não seja necessário para tarefas de manobrabilidade rápida.”

“Nós nos concentramos na fase transitória da locomoção – como a aceleração rápida a partir de uma paralisação ou a parada quando você está em uma marcha em alta velocidade.” — Amir Patel, Universidade da Cidade do Cabo, África do Sul

Patel (junto com os colegas Christopher Mailer, Stacey Shield e Reuben Govender) construiu um robô com pernas (ou metade de um robô com pernas, pelo menos) chamado Kemba para explorar o tipo de aceleração rápida e manobrabilidade que a pneumática pode oferecer. Os quadris de Kemba incorporam motores elétricos de acionamento quase direto de alto torque nos quadris para um posicionamento de maior fidelidade, com pistões pneumáticos de alta força presos aos joelhos. Embora os motores elétricos forneçam o tipo de controle preciso que esperamos dos motores elétricos, os pistões são controlados por válvulas binárias simples (e baratas) que podem estar ligadas ou desligadas. Os pesquisadores se esforçaram muito para modelar a dinâmica complexa dos atuadores pneumáticos, porque, afinal, é necessário algum entendimento do que a pneumática está fazendo. Mas, novamente, o conceito aqui é usar a pneumática para atuação explosiva e obter um controle mais preciso dos motores elétricos nos quadris.