Il Robot che Cammina (e Sterza!) con un Solo Giroscopio: La Nostra Scommessa Quasi-Passiva
Ciao a tutti! Oggi voglio raccontarvi di un’avventura affascinante nel mondo della robotica, un campo dove l’imitazione del movimento umano, in particolare la camminata bipede, rappresenta una sfida continua ma incredibilmente stimolante. Immaginate un robot che possa muoversi agilmente su terreni sconnessi, salire scale, superare ostacoli… proprio come noi! Per anni, la ricerca si è concentrata su robot complessi, pieni di attuatori e sensori, cercando di replicare la nostra andatura. Ma se ci fosse un modo più… “elegante”, quasi passivo, per farlo?
La Sfida della Camminata Bipede e i Limiti Attuali
Diciamocelo, costruire un robot bipede che cammini fluidamente è complicato. Ci sono due strade principali: quella dei robot super-attivi, con controllo preciso su ogni giunto, e quella della “camminata dinamica passiva”, dove si sfrutta principalmente la gravità e l’inerzia, un po’ come quei vecchi giocattoli che scendevano da soli una rampa. Quest’ultima via è affascinante per la sua efficienza energetica, ma spesso limitata nei movimenti. I cosiddetti camminatori “quasi-passivi” cercano un compromesso, aggiungendo pochi attuatori per migliorare le prestazioni, ma mantenendo la filosofia di base.
Abbiamo visto robot quasi-passivi con attuatori alle caviglie, code che aiutano l’avanzamento, persino meccanismi mossi da muscoli pneumatici o deformazioni termiche. Ma, per quanto ne sappiamo, nessuno aveva pensato di usare un Giroscopio a Momento di Controllo (CMG) come “motore” principale per la camminata. I CMG sono dispositivi potenti, usati tantissimo sui satelliti per controllarne l’assetto, ma sulla Terra, nei robot, sono stati relegati quasi esclusivamente a funzioni di stabilizzazione. Perché non usarli per *generare* il movimento?
Un altro problema spinoso, soprattutto per i camminatori 3D (quelli che non si muovono solo su un piano), è l’attrito del piede (foot scuffing). Quando la gamba oscilla in avanti, il tallone può strisciare sul terreno, causando instabilità o addirittura bloccando il robot. Trovare una soluzione efficace, specialmente per i “rolling walkers” (camminatori che dondolano lateralmente), è stato difficile e spesso ha limitato l’ampiezza del passo.
La Nostra Idea: Un CMG per Camminare e Sterzare
Ecco la nostra scommessa: un camminatore quasi-passivo guidato da un singolo CMG. L’idea di base si ispira ai rolling walkers, ma con una differenza cruciale. Invece di affidarsi solo alla gravità per il dondolio laterale (il movimento di rollio), usiamo attivamente la coppia generata dal CMG. Questo ci libera da complessi accoppiamenti meccanici tra sollevamento e oscillazione della gamba e rende il design molto più semplice.
Come funziona? Immaginate il nostro robot: due gambe collegate da un asse, su cui possono ruotare liberamente. Appeso a quest’asse, come un pendolo, c’è il nostro CMG. Dentro il CMG c’è un volano che gira velocissimo. Controllando l’orientamento (imbardata) del gimbal che tiene il volano, il CMG genera una coppia potente lungo l’asse di rollio del robot.
Quando il CMG genera coppia, il robot si inclina lateralmente. Abbiamo progettato le suole dei piedi con una forma cilindrica particolare: il raggio di curvatura è più grande dell’altezza del baricentro (CoM) del robot. Questo significa che, quando si inclina, la gravità tende a riportarlo dritto, creando un’oscillazione naturale. Ma è il CMG che *domina* e controlla attivamente questa oscillazione.
Per far oscillare le gambe, abbiamo aggiunto un piccolo peso su ciascuna, spostando il loro baricentro all’indietro. Così, quando una gamba si solleva da terra (grazie al rollio indotto dal CMG), la gravità la fa oscillare spontaneamente in avanti, fino a un limitatore meccanico che ne definisce il passo.
Il ciclo di camminata è quasi magico nella sua semplicità:
- Il CMG genera coppia, il robot rolla a sinistra.
- La gamba destra si solleva.
- La gamba destra oscilla in avanti per gravità (grazie al CoM spostato).
- Invertiamo la coppia del CMG, il robot rolla verso destra.
- La gamba destra tocca terra, diventando la gamba d’appoggio. Il robot ha fatto un passo!
- Il rollio continua verso destra, sollevando la gamba sinistra, pronta per il passo successivo.
Ripetendo questo ciclo, il robot cammina! E la cosa bella è che, controllando attivamente il rollio con il CMG, possiamo variare la frequenza dell’oscillazione e quindi la velocità di camminata, senza dover ricalibrare pesi e geometrie come nei modelli precedenti.
Piedi Intelligenti per Passi Lunghi
E il problema dell’attrito del piede? Abbiamo ideato una forma della suola piuttosto unica: una combinazione di due superfici cilindriche. Quando il robot è in appoggio e una gamba è completamente oscillata in avanti (al limitatore), le superfici rilevanti dei due piedi (tallone della gamba oscillante e punta della gamba d’appoggio) formano un’unica superficie cilindrica virtuale. L’asse di questo cilindro è leggermente inclinato in avanti. Questo fa sì che, mentre il robot rolla, si inclini anche leggermente in avanti (pitch). Quando la gamba oscillante avanza, il CoM del robot si sposta e il robot si “assesta” sull’altra superficie cilindrica virtuale, pronta per il cambio di appoggio. Questo design permette un cambio di gamba fluido, senza strisciamenti, consentendo passi significativamente più lunghi – nel nostro prototipo, circa 3-7 volte più lunghi rispetto a walker simili precedenti!
Dalla Teoria alla Pratica: Il Prototipo e gli Esperimenti
Abbiamo costruito un prototipo alto circa 35 cm. Il CMG è compatto ma potente, con un volano in acciaio da 10 cm di diametro che gira a 4200 rpm. Le gambe sono realizzate con profilati standard e i piedi speciali sono stampati in 3D. Abbiamo usato un motore Dynamixel per controllare il gimbal del CMG, comandato da un computer esterno via ROS 2.
Negli esperimenti, abbiamo usato un sistema di motion capture per tracciare il movimento. Abbiamo comandato il gimbal del CMG con un’onda sinusoidale, variandone ampiezza (a) e frequenza (f). I risultati sono stati entusiasmanti! Il robot è in grado di partire da fermo e iniziare a camminare a velocità costante. Variando la frequenza f, abbiamo cambiato la velocità di camminata, mantenendo costante l’ampiezza del passo (definita dal limitatore). L’ampiezza a, invece, influenza la stabilità: troppo piccola e il rollio è insufficiente, troppo grande e compaiono vibrazioni indesiderate. Bisogna trovare il giusto equilibrio.
E la Sterzata? Basta un “Bias”!
La vera chicca è la capacità di sterzare. Come? Semplicemente aggiungendo un valore costante (un bias, b) al comando sinusoidale del gimbal. Un bias positivo crea un’asimmetria nel rollio, spostandolo verso un lato. Questa asimmetria, anche se il meccanismo esatto è ancora oggetto di studio, induce una deviazione costante nella traiettoria. Con un bias positivo, il nostro prototipo ha mostrato una tendenza a girare a destra; con un bias negativo, a sinistra.
Certo, la direzione non era perfettamente stabile in ogni prova, probabilmente a causa di attriti non uniformi sul pavimento, specialmente durante la sterzata che implica un leggero scivolamento. Ma in media, la direzione di svolta corrispondeva al bias impostato! Questo dimostra la fattibilità di controllare la direzione con un singolo attuatore CMG.
Conclusioni (Provvisorie) di un Viaggio Affascinante
Quindi, cosa abbiamo ottenuto? Un nuovo tipo di camminatore quasi-passivo che usa un singolo CMG per generare attivamente il movimento di rollio necessario per camminare. Questo semplifica enormemente il design rispetto ai precedenti rolling walker. Abbiamo risolto il problema dell’attrito del piede con un design innovativo della suola, ottenendo passi molto più ampi. E, cosa più importante, abbiamo dimostrato che è possibile non solo camminare a velocità variabili, ma anche sterzare, semplicemente modulando il comando dello stesso, singolo CMG.
C’è ancora lavoro da fare, soprattutto per capire a fondo la dinamica della sterzata e renderla più stabile. Ma i risultati sono promettenti e aprono la porta a robot bipedi più semplici, efficienti e forse, un giorno, capaci di muoversi nel nostro mondo con la stessa naturalezza nostra. È stata una bella sfida e non vediamo l’ora di continuare!
Fonte: Springer
