El robot humanoide logra un vuelo controlado con motores a reacción y sistemas con IA

El Instituto de Tecnología Italiano (IIT) ha alcanzado un hito en la robótica humanoide al demostrar el primer vuelo de IronCub3, el primer robot humanoide volador volador de volante del mundo diseñado específicamente para operar en entornos del mundo real.

El equipo de investigación estudió la compleja aerodinámica del cuerpo artificial y desarrolló un modelo de control avanzado para sistemas compuestos por varias partes interconectadas. El trabajo general en IronCub3, incluidas las pruebas de vuelo reales, tomó aproximadamente dos años. En los últimos experimentos, el robot pudo salir del piso en aproximadamente 50 cm mientras mantenía su estabilidad. El logro allana el camino para una nueva generación de robots voladores capaces de operar en entornos complejos mientras mantiene una estructura humana.

Los estudios de aerodinámica y control se han descrito en un artículo publicado en Ingeniería de comunicaciones.

La investigación fue llevada a cabo por robotistas de IIT en Génova, Italia, en colaboración con el grupo de Alex Zanotti en el Laboratorio de Aerodinámica Daer de Politécnico de Milán, donde se realizó una serie completa de pruebas de túnel de viento, y se usó el grupo de modelos de Aerodámicos de Gianluca Iaccarino en la Universidad de Stanford, donde se usaron algoritmos de aprendizaje profundo.

La demostración de vuelo del robot representa el último hito del laboratorio de inteligencia artificial y mecánica (AMI) en IIT en Génova, dirigido por Daniele Pucci. Su investigación tiene como objetivo impulsar los límites de la robótica humanoide multimodal, combinando locomoción terrestre y movilidad aérea para desarrollar robots capaces de operar en entornos no estructurados y extremos.

IronCub3 es la evolución tecnológica de los prototipos anteriores y se basa en la última generación del robot humanoide ICUB (ICUB3), desarrollado para ser teleperado. Integra cuatro motores de reacción, dos montados en los brazos y dos en un jetpack unido a la espalda del robot.

Se requirieron modificaciones al diseño de hardware ICUB para admitir los motores externos, como desarrollar una nueva columna de titanio y agregar cubiertas resistentes al calor para su protección. El robot combinado con los motores a reacción pesa aproximadamente 70 kg, mientras que las turbinas pueden proporcionar una fuerza de empuje máxima de más de 1000 N. Esta configuración permite al robot flotar y realizar maniobras de vuelo controladas incluso en presencia de perturbaciones del viento o incertidumbres ambientales. La temperatura de escape puede alcanzar 800 grados.

“Esta investigación es radicalmente diferente de la robótica humanoide tradicional y nos obligó a dar un salto sustancial hacia adelante con respecto al estado del arte”, explica Daniele Pucci. “Aquí, la termodinámica juega un papel fundamental: los gases de emisión de las turbinas alcanzan la temperatura y el flujo de 700 ° C a casi la velocidad del sonido. La aerodinámica debe evaluarse en tiempo real, mientras que los sistemas de control deben manejar tanto actuadores de articulación lenta y turbinas rápidas.

El equipo de investigación de AMI se centró en el equilibrio dinámico de la plataforma, que se hace particularmente complejo por la morfología humanoide del robot. A diferencia de los drones convencionales, que tienen estructuras simétricas y compactas, IronCub3 tiene una forma alargada, con masas distribuidas a través de extremidades móviles y un centro variable de masa. Esto requirió el desarrollo de modelos avanzados de balance de vuelo que consideren la dinámica multiboda del robot y la interacción entre la propulsión a chorro y los movimientos de las extremidades.

Además, las extremidades móviles complican significativamente la aerodinámica, que cambian con cada movimiento de cualquiera de las extremidades del robot.

Los investigadores han realizado extensos experimentos de túnel de viento, simulaciones avanzadas de dinámica de fluidos computacionales (CFD) y han desarrollado modelos basados ​​en IA capaces de estimar las fuerzas aerodinámicas en tiempo real.

“Nuestros modelos incluyen redes neuronales capacitadas en datos simulados y experimentales y están integrados en la arquitectura de control del robot para garantizar un vuelo estable”, explica Antonello Paolino, primer autor de The Paper y Ph.D. Estudiante en un programa conjunto entre la IIT y la Universidad de Nápoles, que pasó un semestre como investigador visitante en la Universidad de Stanford.

Como resultado, IronCub3 está equipado con sistemas de control con AI que le permiten volar mientras manejan flujos de aire turbulentos de alta velocidad, temperaturas extremas y la compleja dinámica de los sistemas de varios cuerpos.

El modelado aerodinámico avanzado desarrollado por IIT demuestra que es posible mantener la postura y la estabilidad incluso durante las maniobras no estacionarias, como la encendido secuencial del motor o los cambios en la geometría del cuerpo.

Estos estudios pueden transferirse a otros robots con morfologías no convencionales, que representan un caso único en comparación con los drones clásicos, cuyo equilibrio se basa en la simetría y las estrategias de control simplificadas que a menudo descuidan la aerodinámica y la termodinámica del robot.

El diseño final de IRONCUB3 es el resultado de un proceso de co-diseño avanzado, desarrollado específicamente para integrar la inteligencia artificial y la física múltiple en el diseño de robots voladores. Estas técnicas, que son innovadoras en el campo de la robótica, permiten la optimización simultánea de la forma del cuerpo y las estrategias de control, considerando las complejas interacciones entre aerodinámica, termodinámica y dinámica multibuerpos.

Se utilizó un co-disign para determinar la colocación óptima de las turbinas de chorro para maximizar el control y la estabilidad durante el vuelo. También se emplearon técnicas de diseño avanzadas para administrar la disipación de calor generada por los motores, asegurando así la integridad estructural del robot incluso en condiciones de operación extremas.

El robot ha sido completamente rediseñado para resistir las duras condiciones asociadas con la locomoción aérea, la introducción de mejoras importantes centradas en la actuación de precisión, el control de empuje mejorado a través de sensores integrados y planificadores avanzados para despegue y aterrizaje coordinados.

A lo largo del proceso de diseño, se realizaron numerosos ajustes iterativos en función de los resultados de simulaciones avanzadas y pruebas experimentales, lo que lleva a la configuración actual del robot. Este enfoque ha permitido al equipo superar las limitaciones de las metodologías tradicionales y representa un paso adelante en el diseño automático e integrado de sistemas robóticos complejos.

Las primeras pruebas de vuelo de IronCub3 se realizaron en el pequeño área de prueba de vuelo de IIT, donde el robot pudo despegar del piso en aproximadamente 50 cm. En los próximos meses, las pruebas de prototipo continuarán y se mejorarán aún más gracias a una colaboración con el aeropuerto de Génova (Aeroporto di Genova), que proporcionará un área dedicada que será configurada y equipada por el Instituto de Tecnología Italiano de conformidad con todas las regulaciones de seguridad requeridas. El área organizará futuras campañas experimentales.

Las aplicaciones de robots humanoides voladores como IronCub3 se imaginan en una variedad de escenarios futuros, como las operaciones de búsqueda y rescate en áreas de desastre, inspección de entornos peligrosos o inaccesibles, y misiones de exploración donde tanto las capacidades de manipulación como la movilidad aérea son esenciales.