Gli attuatori pneumatici danno al robot Cheetah

I motori elettrici hanno contribuito a far conoscere i robot dotati di gambe, offrendo un modo semplice e compatto di controllare gli arti robotici con tutte le fantasiose funzionalità di controllo necessarie per un movimento sicuro e agile. Ciò che non si può ottenere dai motori elettrici (più di una volta, comunque) è il tipo di potenza istantanea necessaria per eguagliare le prestazioni dei muscoli biologici. Questo è il motivo per cui Atlas, probabilmente il robot più potente e dinamico in circolazione in questo momento, utilizza attuatori idraulici: fare in modo che un robot a misura d'uomo esegua un salto mortale all'indietro, è praticamente l'unico modo per ottenere la potenza di cui hai bisogno.

Ispirati dalle manovre ad alta velocità dei ghepardi, gli esperti di robotica dell'Università di Città del Capo, in Sud Africa, hanno iniziato a sperimentare con il fratello della vecchia scuola degli attuatori idraulici: la pneumatica. Utilizzando il gas come fluido di lavoro anziché un liquido, è possibile ottenere un elevato rapporto forza/peso in un fattore di forma relativamente semplice ed economico con una conformità incorporata che manca all'idraulica. La pneumatica è facile da controllare? No! Ma per far correre un robot come un ghepardo, si scopre che potrebbe non essere nemmeno necessario un controllo complicato.

“Stiamo sostenendo che il controllo preciso della forza forse non è necessario per una manovrabilità rapida.”—Amir Patel, Università di Città del Capo, Sud Africa

Per prima cosa, parliamo di cosa c'è che non va nell'idraulica, perché l'idraulica è complicata, costosa e crea ogni sorta di disordine se mai dovesse esplodere, cosa che a volte succede. E se da un lato la natura non conforme dell'idraulica li rende più facili da modellare e controllare, dall'altro li rende anche meno tolleranti nell'uso nel mondo reale. Se si va abbastanza indietro, agli anni ’80, quando Marc Raibert stava sviluppando robot con gambe dinamiche al MIT, quei robot che correvano e saltavano si affidavano alla pneumatica piuttosto che all’idraulica, perché la pneumatica era molto più facile da implementare.

Uno dei motivi principali per cui oggigiorno tutti sembrano utilizzare l'idraulica piuttosto che la pneumatica è che l'aria è comprimibile, il che è ottimo per la conformità incorporata, ma complica la maggior parte dei metodi di controllo tradizionali. "Il controllo fine della forza è difficile con questo attuatore e molti lo hanno evitato", spiega Amir Patel, professore associato presso l'Università di Cape Town. “L'idraulica non è comprimibile e può fare cose straordinarie, ma è un po' più costosa della pneumatica. E osservando gli animali che richiedono un movimento esplosivo con gli arti, abbiamo pensato che la pneumatica sarebbe stata un buon attuatore, spesso trascurato”.

Patel ha svolto un'enorme quantità di ricerche sulla biomeccanica del ghepardo. Ne abbiamo già parlato in passato. (Ad esempio, ecco perché i ghepardi hanno la coda soffice.) Ma recentemente, Patel ha cercato di trovare modi per tracciare le dinamiche dei ghepardi in altissima fedeltà per capire come riescono a muoversi nel modo in cui lo fanno. Sarebbe facile se i ghepardi collaborassero, ma dal suono delle cose, cercare di farli correre direttamente su una piccola piastra di forza o fare la manovra che desideri mentre sono in vista ideale delle telecamere che hai impostato è un po' un incubo. Gran parte di questo lavoro è in corso, ma Patel ha già imparato abbastanza per suggerire un nuovo approccio alla locomozione ispirata ai ghepardi. "Dagli anni trascorsi a studiare i ghepardi qui in Sud Africa, sembra che non stiano davvero cercando di controllare bene la forza quando accelerano da fermi", dice Patel. “Stanno semplicemente spingendo più forte che possono, il che ci fa pensare che un attuatore on/off [noto anche come controller bang-bang] come quello pneumatico potrebbe svolgere quel lavoro. Stiamo sostenendo che il controllo fine della forza forse non è necessario per compiti di manovrabilità rapida”.

"Ci concentriamo sulla fase transitoria della locomozione, come la rapida accelerazione da fermo o il fermarsi una volta che si ha un'andatura ad alta velocità."—Amir Patel, Università di Città del Capo, Sud Africa

Patel (insieme ai colleghi Christopher Mailer, Stacey Shield e Reuben Govender) ha costruito un robot con le gambe (o comunque la metà di un robot con le gambe) chiamato Kemba per esplorare il tipo di rapida accelerazione e manovrabilità che la pneumatica può offrire. I fianchi di Kemba incorporano motori elettrici ad azionamento quasi diretto a coppia elevata sui fianchi per un posizionamento più fedele, con pistoni pneumatici ad alta forza fissati alle ginocchia. Mentre i motori elettrici offrono il tipo di controllo preciso che ci aspettiamo dai motori elettrici, i pistoni sono controllati da semplici (ed economiche) valvole binarie che possono essere attivate o disattivate. I ricercatori si sono impegnati molto nella modellazione della complessa dinamica degli attuatori pneumatici, perché dopo tutto è necessaria una certa comprensione di ciò che fanno i pneumatici. Ma ancora una volta, il concetto qui è quello di utilizzare la pneumatica per l'attuazione esplosiva e ottenere un controllo più preciso dai motori elettrici sui fianchi.