Des chercheurs de Virginia Tech visent à donner aux robots des démarches bio-inspirées

Il y a deux ans, Kaveh Hamed a vu son fils Nikaan faire ses premiers pas tout seul. Il a vu le corps de Nikaan, âgé d'un an, vaciller sur ses jambes bancales alors que le bébé avançait.

Et il a vu les progrès de Nikaan :il est passé de ramper sur le ventre à se tenir debout avec un balancement, aux premières marches, à décoller sur le sol sur deux pieds sûrs.

Ces souvenirs font penser Hamed aux maths, comme il le fait quand il regarde son chien Telli courir. Lorsqu'il la voit bondir vers lui et passer au trot, il recommence à s'interroger sur la manière dont il pourrait transmettre son agilité à un robot.

Depuis plus de 10 ans, Hamed a développé des algorithmes de contrôle qui permettent aux robots à pattes de marcher et de courir plus comme des humains et des animaux.

Voir Nikaan et Telli en mouvement lui rappelle qu'il reste tant à apprendre. "Cela semble être un problème simple", a déclaré Hamed. «Nous faisons ces choses tous les jours – nous marchons, courons, montons des escaliers, enjambons des lacunes. Mais traduire cela en mathématiques et en robots est un défi."

Hamed a rejoint Virginia Tech l'année dernière en tant que professeur adjoint au département de génie mécanique du College of Engineering et en tant que directeur du laboratoire Hybrid Dynamic Systems and Robot Locomotion.

Depuis lors, lui et son équipe de recherche ont travaillé pour améliorer la locomotion bio-inspirée des robots, aux côtés de collaborateurs du département et d'autres universités du pays.

Ils travaillent actuellement sur quatre projets financés par la National Science Foundation, qui s'inspirent tous de l'homme ou de l'animal et se concentrent sur le développement de logiciels.

L'un de leurs projets consiste à examiner les applications de la locomotion bipède (à deux jambes) à la locomotion résiliente des jambes prothétiques motorisées.

L'équipe de recherche de Hamed collabore avec Robert Gregg, professeur agrégé au Département de génie électrique et d'informatique de l'Université du Michigan, pour développer des algorithmes de contrôle décentralisés pour le modèle de jambe prothétique électrique de Gregg.

Trois des projets en cours de l'équipe portent sur des robots quadrupèdes (à quatre pattes) et l'utilisation combinée de capteurs, d'algorithmes de contrôle et d'intelligence artificielle pour améliorer l'agilité, la stabilité et la dextérité des chiens robotiques, ainsi que leur réactivité à leur environnement et les uns les autres.

Hamed a déclaré que bien que de plus en plus de robots à pattes soient construits chaque année, le domaine a encore un long chemin à parcourir avant que les robots puissent égaler l'agilité de leurs sources d'inspiration à deux ou quatre pattes.

"Nous pensons que l'agilité que nous voyons dans la locomotion animale - comme chez un chien, un guépard ou un lion de montagne - ne peut actuellement pas être poursuivie de près par des robots, même ceux à la pointe de la technologie", a-t-il déclaré.

"La technologie des robots progresse rapidement, mais il existe toujours un écart fondamental entre ce que nous voyons chez les robots et ce que nous voyons chez leurs homologues biologiques."

S'inspirer d'amis à quatre pattes

Dans son travail avec des chiens robotiques, Hamed vise à combler le vide en développant des algorithmes de contrôle avancés et intelligents qui soulignent l'agilité et la stabilité de la locomotion animale.

Intégrant l'utilisation d'algorithmes avancés de contrôle par rétroaction et de techniques d'optimisation mathématique à l'utilisation de capteurs, son approche fonctionne dans la biologie fondamentale des animaux.

Le contrôle de l'équilibre chez les vertébrés, par exemple, se produit principalement dans la moelle épinière, où les neurones oscillants communiquent entre eux pour générer un mouvement rythmique.

C'est une fonction naturelle - la raison pour laquelle les animaux à pattes et les humains peuvent fermer les yeux et continuer à marcher, a expliqué Hamed.

Mais pour naviguer dans des environnements plus complexes, comme un ensemble d'escaliers ou de rochers, les humains et les animaux ont besoin de vision, et nous avons besoin du cerveau pour interpréter ce que nous voyons.

L'équipe de recherche de Hamed utilise des capteurs et des algorithmes de contrôle robustes pour créer des effets similaires parmi leurs chiens robotiques.

Ils utilisent des encodeurs - des capteurs fixés aux articulations pour lire leur position les uns par rapport aux autres - ainsi que des unités de mesure inertielle - des capteurs mesurant l'orientation du corps du robot par rapport au sol - pour créer davantage d'équilibre et de contrôle du mouvement qui vient naturellement aux vertébrés.

L'équipe attache également des caméras et Lidar, une forme de technologie laser pour une cartographie plus précise de l'environnement, pour utiliser la vision artificielle, qui peut mieux informer le contact ou l'évitement d'obstacles de chaque robot.

L'équipe de Hamed a équipé trois chiens robotiques, construits par Ghost Robotics, une société spécialisée dans la production de robots à pattes, avec ces capteurs et les a utilisés pour tester leurs algorithmes de contrôle intelligents et robustes nouvellement développés.

Une fois que les robots ont lu les mesures de leur propre mouvement et de leur environnement, l'idée est de les amener à agir en conséquence :les ordinateurs de bord calculent les actions de contrôle robustes que les robots doivent utiliser pour se diriger d'un point A à un point B.

Jusqu'à présent, les chercheurs ont simulé et commencé à tester plusieurs démarches différentes reflétant celles d'animaux réels.

Les chiens robotiques ont commencé à marcher, trotter et courir à des angles plus aigus avec plus d'agilité, d'équilibre et de vitesse.

L'équipe explore également l'intégration de l'intelligence artificielle dans ses algorithmes de contrôle pour améliorer la prise de décision en temps réel des robots dans des environnements réels.

Collaboration avec des partenaires de Virginia Tech et au-delà

Hamed s'appuie sur la collaboration pour adopter de nouveaux concepts tels que l'intelligence artificielle et les algorithmes de contrôle critiques pour la sécurité.

Dans deux de ses projets, il collabore avec Aaron Ames, professeur de génie mécanique et civil à Caltech.

Ensemble, ils visent à développer la prochaine génération d'algorithmes de contrôle intelligents, sûrs et robustes qui permettront la locomotion agile des robots quadrupèdes et bipèdes dans des environnements complexes.

Ils visent également à s'appuyer sur ce travail avec des essaims de robots à pattes, en créant des algorithmes de contrôle de rétroaction distribués qui permettent aux robots à pattes de coordonner leur mouvement dans des tâches collaboratives.

Récemment, Alex Leonessa, professeur de génie mécanique à Virginia Tech, a rejoint Ames et Hamed dans un projet qui adapte l'utilisation d'algorithmes de contrôle distribués pour la locomotion coopérative des chiens-guides robots et des humains.

"J'apprends de la collaboration", a déclaré Hamed. « C'est ce que nous faisons pour faire avancer les connaissances. Des entreprises bien connues font des choses incroyables en ce moment, mais vous ne pouvez pas voir ce qu'elles font.

« Nous aimerions apprendre des sciences et des mathématiques et partager ce que nous trouvons. Au fur et à mesure que nous publions, nous pouvons dire aux autres universités :"Ce sont les algorithmes que nous utilisons". Comment pouvez-vous les développer ? »

Hamed voit les avantages potentiels et les applications réelles de ces améliorations en termes de mobilité, de capacité d'assistance et d'une combinaison des deux.

Avec plus de la moitié du paysage terrestre marqué comme inaccessible pour les véhicules à roues, les robots aux jambes agiles pourraient mieux naviguer sur des terrains accidentés et escarpés, comme ceux des montagnes ou des bois.

Dans les maisons et les bureaux, le sol est plat et généralement prévisible, mais les limitations pour les robots prennent toujours forme dans les échelles et les escaliers conçus pour les marcheurs bipèdes.

Hamed pense qu'il sera important de s'assurer que les robots peuvent gérer les mêmes conditions, s'ils doivent être utilisés pour aider les personnes à mobilité réduite et vivre avec elles.

Et comme les robots soutiennent ou remplacent les humains dans les interventions d'urgence - une mission de sauvetage lors d'un incendie d'usine, par exemple - ils bénéficieront d'une utilisation habile de leurs jambes.

Hamed trouve les premiers tests sur les algorithmes de contrôle avec ses chiens robotiques prometteurs, mais le développement de ces algorithmes sera un processus continu.

"Les algorithmes que nous utilisons sont-ils réellement bio-inspirés ?" Hamed s'est demandé. « Est-ce qu'ils agissent vraiment comme des chiens ? Nous essayons de faire le calcul.

« Mais il doit être bio-inspiré. Nous devons examiner les animaux, puis corriger nos algorithmes - pour voir comment ils réagissent à ce scénario et comment réagissent nos algorithmes de contrôle."