Há 30 anos, os robôs aprenderam a andar sem cair

Quando você ouve o termo robô humanóidevocê pode pensar em C-3PO, o andróide de relações humanas-ciborgues de Guerra nas Estrelas. O C-3PO foi projetado para ajudar os humanos na comunicação com robôs e espécies alienígenas. O andróide, que apareceu pela primeira vez nas telas em 1977, juntou-se aos personagens em suas aventuras, andando, conversando e interagindo com o ambiente como um humano. Estava à frente de seu tempo.

Antes do lançamento de Guerra nas Estrelasalguns andróides existiam e podiam se mover e interagir com o ambiente, mas nenhum conseguia fazer isso sem perder o equilíbrio.

Somente em 1996 foi desenvolvido no Japão o primeiro robô autônomo capaz de andar sem cair. O Protótipo 2 (P2) da Honda tinha quase 183 centímetros de altura e pesava 210 quilos. Poderia controlar sua postura para manter o equilíbrio e mover múltiplas articulações simultaneamente.

Em reconhecimento a esse feito de décadas, o P2 foi homenageado como um marco do IEEE. A cerimônia de inauguração está marcada para o dia 28 de abril, no Honda Collection Hall, localizado nas dependências do Mobility Resort Motegi, no Japão. A máquina está em exibição na exposição de robótica do salão, que mostra a evolução da tecnologia humanóide da Honda.

Em apoio à nomeação do Milestone, os membros da Seção IEEE Nagoya (Japão) escreveram: “Este marco demonstrou a viabilidade da locomoção humana em máquinas, estabelecendo um novo padrão em robótica”. A proposta Milestone está disponível no Wiki de Tecnologia e História da Engenharia.

Desenvolvendo um andróide doméstico

Em 1986, os pesquisadores da Honda, Kazuo Hirai, Masato Hirose, Yuji Haikawa e Toru Takenaka começaram a desenvolver o que chamaram de “robô doméstico” para colaborar com humanos. Seria capaz de subir escadas, remover impedimentos em seu caminho e apertar uma porca com uma chave inglesa, de acordo com o trabalho de pesquisa do projeto.

“Acreditamos que um robô que trabalhe dentro de uma casa é o tipo de robô que os consumidores podem achar útil”, escreveram os autores.

Mas para criar uma máquina que fizesse tarefas domésticas, ela precisava ser capaz de contornar obstáculos como móveis, escadas e portas. Ele precisava andar de forma autônoma e ler o ambiente como um humano, segundo os pesquisadores.

Mas nenhum robô poderia fazer isso na época. O mais próximo que os tecnólogos chegaram foi o WABOT-1. Construído em 1973 na Universidade Waseda, em Tóquio, o WABOT tinha olhos e ouvidos, falava japonês e usava sensores táteis embutidos nas mãos enquanto segurava e movia objetos. Embora o WABOT pudesse andar, ainda que instável, ele não conseguia contornar obstáculos ou manter o equilíbrio. Foi alimentado por uma bateria externa e um computador.

Para construir um androide, a equipe da Honda começou analisando como as pessoas se movimentam, usando elas mesmas como modelos.

Isso levou a especificações para o robô que lhe deram dimensões humanas, incluindo a localização das articulações das pernas e até que ponto as pernas poderiam girar.

Porém, assim que começaram a construir a máquina, os engenheiros acharam difícil satisfazer todas as especificações. Ajustes foram feitos no número de articulações nos quadris, joelhos e tornozelos do robô, de acordo com o artigo de pesquisa. Os humanos têm quatro articulações de quadril, duas de joelho e três de tornozelo; O antecessor do P2 tinha três articulações de quadril, um joelho e duas articulações de tornozelo. Os braços foram tratados de forma semelhante. As quatro articulações dos ombros e três cotovelos de um humano tornaram-se três articulações dos ombros e uma articulação do cotovelo no robô.

Os pesquisadores instalaram motores Honda e sistemas hidráulicos existentes nos quadris, joelhos e tornozelos para permitir que o robô andasse. Cada junta foi operada por um motor DC com sistema de redução de acionamento harmônico, que é compacto e oferece alta capacidade de torque.

Para testar suas ideias, os engenheiros construíram o que chamaram de E0. O robô, que era apenas um par de pernas conectadas, caminhou com sucesso. No entanto, demorava cerca de 15 segundos para dar cada passo e ele se movia andando estáticamente em linha reta, de acordo com um post sobre o projeto no site da Honda. (Caminhada estática ocorre quando o centro de massa do corpo está sempre na sola do pé. Os humanos andam com o centro de massa abaixo do umbigo.)

Os pesquisadores criaram diversos algoritmos para permitir que o robô andasse como um humano, segundo o site da Honda. Os códigos permitiram que o robô usasse um mecanismo de locomoção, caminhada dinâmica, por meio do qual o robô permanece em pé, movendo-se constantemente e ajustando seu equilíbrio, em vez de manter seu centro de massa sobre os pés, de acordo com um vídeo no canal do YouTube Everything About Robotics Explained.

“P2 não foi apenas uma conquista técnica; foi um catalisador que impulsionou o campo da robótica humanóide, demonstrando o potencial dos robôs para interagir e ajudar os humanos de maneiras significativas.” —Seção IEEE Nagoya

A equipe da Honda instalou escovas de borracha na parte inferior dos pés da máquina para reduzir as vibrações dos impactos de pouso (a força sentida quando os pés tocam o solo) – que fizeram o robô perder o equilíbrio.

Entre 1987 e 1991, mais três protótipos (E1, E2 e E3) foram construídos, cada um testando um novo algoritmo. A E3 foi um sucesso.

Com o mecanismo de caminhada dinâmica concluído, os pesquisadores continuaram sua busca para tornar o robô estável. A equipe adicionou sensores de 6 eixos para detectar a força com que o solo empurrava os pés do robô e os movimentos de cada pé e tornozelo, permitindo que o robô ajustasse sua marcha em tempo real para obter estabilidade.

A equipe também desenvolveu um sistema de controle de estabilização de postura para ajudar o robô a permanecer em pé. Um controlador local direcionou como os atuadores do motor elétrico precisavam se mover para que o robô pudesse seguir os ângulos das articulações das pernas ao caminhar, de acordo com o artigo de pesquisa.

Durante os três anos seguintes, a equipe testou os sistemas e construiu mais três protótipos (E4, E5 e E6), que tinham torsos em forma de caixa no topo das pernas.

Em 1993, a equipe estava finalmente pronta para construir um andróide com braços e cabeça que mais se parecesse com o C-3PO, apelidado de Protótipo 1 (P1). Como a máquina foi projetada para ajudar as pessoas em casa, os pesquisadores determinaram a altura e as proporções dos membros com base nas medidas típicas de portas e escadas. O comprimento do braço foi baseado na capacidade do robô de pegar um objeto quando agachado.

Quando terminaram de construir o P1, ele tinha 191,5 cm de altura, pesava 175 kg e usava fonte de energia externa e computador. Ele poderia ligar e desligar um interruptor, agarrar uma maçaneta e carregar um objeto de 70 kg.

O P1 não foi lançado publicamente, mas sim usado para conduzir pesquisas sobre como melhorar ainda mais o design. Os engenheiros analisaram como instalar uma fonte de energia interna e um computador, por exemplo, e também como coordenar o movimento dos braços e pernas, segundo Honda.

Para o P2, quatro câmeras de vídeo foram instaladas em seu cabeçote – duas para processamento de visão e outras duas para operação remota. A cabeça tinha 60 cm de largura e estava conectada ao tronco, que tinha 75,6 cm de profundidade.

Um computador com quatro processadores microSparc II rodando um sistema operacional em tempo real foi adicionado ao torso do robô. Os processadores foram usados ​​para controlar braços, pernas, articulações e câmeras de processamento de visão.

Também dentro do corpo estavam servo amplificadores DC, uma bateria de níquel-zinco de 20 kg e um modem Ethernet sem fio, de acordo com o artigo de pesquisa. A bateria durou cerca de 15 minutos; a máquina também pode ser carregada por uma fonte de alimentação externa.

O hardware estava envolto em uma caixa branca e cinza.

O P2, lançado publicamente em 1996, podia andar livremente, subir e descer escadas, empurrar carrinhos e realizar algumas ações sem fio.

O P2, lançado publicamente em 1996, podia andar livremente, subir e descer escadas, empurrar carrinhos e realizar algumas ações sem fio.Arquivos do Rei Rosa

No ano seguinte, os engenheiros da Honda lançaram o menor e mais leve P3. Tinha 160 cm de altura e pesava 130 kg.

Em 2000 foi lançado o popular robô ASIMO. Embora fosse mais curto que seus antecessores, com 130 cm, ele podia andar, correr, subir escadas e reconhecer vozes e rostos. A versão mais recente foi lançada em 2011. A Honda aposentou o robô.

Influência da Honda P2

Graças ao P2, os andróides de hoje não são apenas ideias em laboratório. Os robôs foram implantados para trabalhar em fábricas e, cada vez mais, em casa.

As máquinas estão sendo usadas até para entretenimento. Durante a gala do Festival da Primavera deste ano em Pequim, máquinas desenvolvidas pelas startups chinesas Unitree Robotics, Galbot, Noetix e MagicLab realizaram danças sincronizadas, artes marciais e backflips ao lado de artistas humanos.

“O desenvolvimento do P2 mudou o foco da robótica de aplicações industriais para projetos centrados no ser humano”, explicaram os patrocinadores da Milestone na entrada do wiki. “Isso inspirou avanços subsequentes em robôs humanóides e influenciou pesquisas em áreas como biomecânica e inteligência artificial.

“Não foi apenas uma conquista técnica; foi um catalisador que impulsionou o campo da robótica humanóide, demonstrando o potencial dos robôs para interagir e ajudar os humanos de maneiras significativas.”

Para saber mais sobre robôs, confira Espectro IEEEguia.

Uma placa reconhecendo o robô P2 da Honda como um marco IEEE será instalada no Honda Collection Hall. A placa deve ler:

Em 1996, o Protótipo 2 (P2), um robô humanóide bípede autônomo e autônomo, capaz de caminhar e subir escadas de forma dinâmica e estável, foi apresentado pela Honda. Sua robótica com pernas incorporou controle de postura em tempo real, equilíbrio dinâmico, geração de marcha e coordenação multiarticular. A mecatrônica e os algoritmos de controle da Honda estabelecem padrões técnicos em mobilidade, autonomia e interação humano-robô. P2 inspirou novas pesquisas no desenvolvimento de robôs humanóides, levando a sucessores cada vez mais sofisticados.

Administrado pelo IEEE History Center e apoiado por doadores, o programa Milestone reconhece desenvolvimentos técnicos notáveis ​​em todo o mundo.