O robô humanóide alcança vôo controlado usando motores a jato e sistemas movidos a IA

O Instituto Italiano de Tecnologia (IIT) atingiu um marco na robótica humanóide, demonstrando o primeiro vôo do IronCub3, o primeiro robô humanóide voador de jato do mundo projetado especificamente para operar em ambientes do mundo real.

A equipe de pesquisa estudou a complexa aerodinâmica do corpo artificial e desenvolveu um modelo de controle avançado para sistemas compostos por várias peças interconectadas. O trabalho geral no IronCub3, incluindo testes reais de vôo, levou cerca de dois anos. Nas últimas experiências, o robô conseguiu tirar o chão em aproximadamente 50 cm, mantendo sua estabilidade. A conquista abre caminho para uma nova geração de robôs voadores capazes de operar em ambientes complexos, mantendo uma estrutura humana.

Os estudos de aerodinâmica e controle foram descritos em um artigo publicado em Engenharia de Comunicações.

A pesquisa foi realizada por roboticistas do IIT em Gênova, Itália, em colaboração com o Grupo de Alex Zanotti no Laboratório de Politécnicos da Aerodinâmica Daer de Daer – onde uma série abrangente de testes de túneis eólicos foi realizada. E o grupo de algandms da Gianluca Iaccarino na Universidade de Stanford – em lugares profundos.

A demonstração de voo do robô representa o mais recente marco do laboratório de inteligência artificial e mecânica (AMI) no IIT no Gênova, liderado por Daniele Pucci. Sua pesquisa pretende ultrapassar os limites da robótica humanóide multimodal, combinando locomoção terrestre e mobilidade aérea para desenvolver robôs capazes de operar em ambientes não estruturados e extremos.

O IRONCUB3 é a evolução tecnológica de protótipos anteriores e baseia -se na última geração do robô Humanóide ICUB (ICUB3), desenvolvido para ser teleoperado. Ele integra quatro motores a jato, dois montados nos braços e dois em um jetpack preso às costas do robô.

Modificações no design do hardware do iCUB foram necessárias para suportar os motores externos, como o desenvolvimento de uma nova coluna de titânio e a adição de capas resistentes ao calor para proteção. O robô combinado com os motores a jato pesa cerca de 70 kg, enquanto as turbinas podem fornecer uma força de impulso máxima de mais de 1000 N. Essa configuração permite que o robô pairasse e execute manobras de vôo controladas, mesmo na presença de distúrbios do vento ou incertezas ambientais. A temperatura de escape pode atingir 800 graus.

“Esta pesquisa é radicalmente diferente da robótica humanóide tradicional e nos forçou a dar um salto substancial em relação ao estado da arte”, explica Daniele Pucci. “Aqui, a termodinâmica desempenha um papel fundamental-os gases de emissão das turbinas atingem 700 ° C de temperatura e fluem quase a velocidade do som. A aerodinâmica deve ser avaliada em tempo real, enquanto os sistemas de controle devem lidar com os atuadores lentos e os atuais para melhorar.

A equipe de pesquisa da AMI se concentrou no equilíbrio dinâmico da plataforma, que é particularmente complexo pela morfologia humanóide do robô. Ao contrário dos drones convencionais, com estruturas simétricas e compactas, o IronCub3 tem uma forma alongada, com massas distribuídas através de membros móveis e um centro variável de massa. Isso exigiu o desenvolvimento de modelos avançados de balanço de vôo que considerassem a dinâmica multiborpos do robô e a interação entre propulsão a jato e movimentos dos membros.

Além disso, os membros móveis complicam significativamente a aerodinâmica, que mudam com cada movimento de qualquer um dos membros do robô.

Os pesquisadores realizaram extensas experiências de túnel de vento, simulações avançadas de dinâmica de fluidos computacionais (CFD) e desenvolveram modelos baseados em IA capazes de estimar forças aerodinâmicas em tempo real.

“Nossos modelos incluem redes neurais treinadas em dados simuladas e experimentais e são integradas à arquitetura de controle do robô para garantir o voo estável”, explica Antonello Paolino, primeiro autor do artigo e Ph.D. estudante em um programa conjunto entre o IIT e a Universidade de Naples, que passou um semestre como pesquisador visitante na Universidade de Stanford.

Como resultado, o IronCub3 está equipado com sistemas de controle movidos a IA que permitem voar enquanto lidam com fluxos de ar turbulentos de alta velocidade, temperaturas extremas e a dinâmica complexa de sistemas multi-corpos.

A modelagem aerodinâmica avançada desenvolvida pelo IIT demonstra que é possível manter a postura e a estabilidade, mesmo durante manobras não estacionárias, como ignição seqüencial do motor ou alterações na geometria do corpo.

Esses estudos podem ser transferidos para outros robôs com morfologias não convencionais, representando um caso único em comparação com os drones clássicos, cujo equilíbrio depende de simetria e estratégias de controle simplificadas que geralmente negligenciam a aerodinâmica e a termodinâmica do robô.

O design final do IronCub3 é o resultado de um processo avançado de co-design, desenvolvido especificamente para integrar inteligência artificial e multi-física no design de robôs voadores. Essas técnicas, que são inovadoras no campo da robótica, permitem a otimização simultânea das estratégias de forma e controle do corpo, considerando as complexas interações entre aerodinâmica, termodinâmica e dinâmica de multicorpos.

O co-design foi usado para determinar a colocação ideal das turbinas a jato para maximizar o controle e a estabilidade durante o vôo. Técnicas avançadas de design também foram empregadas para gerenciar a dissipação de calor gerada pelos motores, garantindo assim a integridade estrutural do robô, mesmo sob condições operacionais extremas.

O robô foi completamente reprojetado para suportar as condições adversas associadas à locomoção aérea, introduzindo grandes melhorias focadas na atuação de precisão, controle aprimorado de impulsos por meio de sensores integrados e planejadores avançados para decolagem e pouso coordenados.

Durante o processo de design, numerosos ajustes iterativos foram feitos com base nos resultados de simulações avançadas e testes experimentais, levando à configuração atual do robô. Essa abordagem permitiu à equipe superar as limitações das metodologias tradicionais e representa um passo adiante no design automático e integrado de sistemas robóticos complexos.

Os primeiros testes de vôo do IronCub3 foram realizados na pequena área de teste de vôo do IIT, onde o robô conseguiu levantar o chão em aproximadamente 50 cm. Nos próximos meses, os testes de protótipo continuarão e serão aprimorados ainda mais graças a uma colaboração com o aeroporto de Genoa (Aeroporto di Genova), que fornecerá uma área dedicada que será configurada e equipada pelo Instituto de Tecnologia italiano em conformidade com todos os regulamentos de segurança exigidos. A área sediará futuras campanhas experimentais.

As aplicações de robôs humanóides voadores como o IronCub3 são previstos em vários cenários futuros, como operações de pesquisa e salvamento em áreas de desastre, inspeção de ambientes perigosos ou inacessíveis e missões de exploração onde as capacidades de manipulação e a mobilidade aérea são essenciais.