Mini Cheetah améliore ses « réflexes de chat » grâce à des chaussures remplies de pièces de nickel
Au fur et à mesure que les robots quadrupèdes apprennent à accomplir de plus en plus de tâches dynamiques, ils vont probablement passer beaucoup de temps sans poser les pieds au sol. Il n'est pas forcément question de chute (bien que celle-ci soit inévitable, puisque ce sont tout de même des robots à pattes), car on peut d'une manière ou d'une autre se retrouver en vol. Le plus dangereux des phases de vol sera la chute de grande hauteur, car elle brisera presque à coup sûr votre robot très coûteux ainsi que toute charge utile qu'il pouvait transporter.
Une mauvaise chute n'est pas un problème uniquement pour les robots, et il n'est donc pas surprenant que les animaux quadrupèdes dans la nature l'aient déjà résolu. Ou du moins, c'est déjà réglé chez les chats, qui peuvent atterrir sur leurs pattes de manière fiable pour réduire les dégâts de la chute. Pour apprendre cette astuce aux robots quadrupèdes, des roboticiens de l'Université Notre-Dame ont entraîné un Mini Cheetah à certaines compétences d'auto-rétablissement en l'air, grâce à des chaussures remplies de pièces.
Les pattes du Mini Cheetah (comme celles de nombreux robots) ont été spécialement conçues légères, car elles doivent se déplacer rapidement, ce qui exige de minimiser la masse qui va et vient à chaque pas. Cela rend le robot aussi efficace que possible. Mais pour qu'il se réoriente en l'air, il doit au contraire faire osciller la plus grande masse possible.
Chaque patte du Mini Cheetah a été modifiée avec des chaussures imprimées en 3D, remplies de deux rouleaux de pièces américaines de cinq cents (en nickel), qui ajoutent environ 500 g à chaque pied, ce qui suffit à permettre au robot de se déplacer comme il le faut. La raison pour laquelle les chaussures en nickel sont importantes tient au fait que la seule façon pour le Mini Cheetah de changer d'orientation en chute est d'agiter ses pattes. Lorsque ses pattes bougent dans un sens, le corps se déplace dans l'autre, et plus les pattes sont lourdes, plus la force qu'elles peuvent exercer sur le corps est grande.
Comme pour toute robotique, faire obéir le matériel à ce que vous voulez n'est que la moitié du travail. Et parfois bien moins que la moitié. Le problème du Mini Cheetah était qu'il dispose de très, très peu de temps pour comprendre comment bien faire les choses. Il doit détecter qu'il tombe, déterminer son orientation, élaborer un plan pour atterrir, puis exécuter ce plan avec succès. Le robot n'a pas le temps de tout réfléchir lorsqu'il commence à tomber rapidement, c'est pourquoi la méthode imaginée par les chercheurs est appelée approche « réflexe ».
« Bien que les algorithmes d'optimisation de trajectoire s'améliorent, ils restent trop lents pour trouver une solution à partir de zéro en quelques fractions de seconde entre le moment où le robot détecte la chute et celui où il doit commencer le mouvement de rétablissement. Nous avons contourné ce problème en faisant tomber le robot à plusieurs reprises dans une simulation, où nous pouvons prendre autant de temps que nécessaire pour trouver une solution, et en entraînant un réseau de neurones à imiter l'optimiseur de trajectoire. Le réseau de neurones entraîné associe les orientations initiales aux trajectoires qui permettent au robot d'atterrir sur ses pattes. Nous appelons cela une approche « réflexe », car le réseau de neurones a essentiellement appris une réponse automatique qui peut être exécutée lorsque le robot détecte qu'il tombe »
Cette méthode fonctionne plutôt bien, mais elle comporte quelques limites, dont la plupart ne paraîtraient pas si mauvaises si les robots quadrupèdes n'étaient pas comparés aux animaux quadrupèdes. Les chats sont tout simplement d'une compétence redoutable dans ce qu'ils font, et reproduire leur capacité à se retourner rapidement dans une configuration d'atterrissage favorable à partir de n'importe quelle orientation initiale sera très difficile à réaliser pour un robot.
« Plus je m'intéresse à la robotique, plus je comprends à quel point la nature est étonnante, et ce projet en est un excellent exemple. Les chats peuvent effectuer une rotation complète de 180 degrés en tombant depuis la hauteur de l'épaule. Notre robot s'est heurté aux limites de couple lors d'une rotation de 90 degrés depuis une hauteur d'environ 3 m au-dessus du sol. Utiliser un mouvement tridimensionnel complet serait une amélioration très importante (la rotation latérale devrait être plus simple, car le moment d'inertie du robot est plus faible dans cette direction), même si je serais surpris que cela suffise à nous amener aux performances d'un chat »
Le plus grand défi auquel les scientifiques ont été confrontés lors du passage de la 2D à la 3D sont les auto-collisions. Il semble simple d'empêcher le robot de se heurter à lui-même, mais les collisions elles-mêmes imposent des contraintes assez gênantes qui rendent difficile, sur le plan numérique, la recherche de solutions de haute qualité pour les algorithmes d'optimisation de trajectoire.
Il existe des vertèbres motorisées flexibles pour robots quadrupèdes, qui présentent de nombreux avantages mais sont eux-mêmes assez complexes. Selon Kurtz, dans le cas du problème du chat qui tombe, une colonne vertébrale flexible pourrait aider à la fois en offrant une répartition naturelle et souple de la masse et sur le plan de la conception du contrôleur, car il serait possible de reproduire directement le mouvement de « cambrure et torsion » du chat. De même, une colonne vertébrale flexible pourrait aider dans les tâches comportant de longues phases de vol, comme les problèmes de saut dans l'espace.
« Cela dit, la réorientation en l'air n'est pas la tâche principale de la plupart des robots quadrupèdes, et il ne m'est pas évident qu'une colonne vertébrale flexible aiderait beaucoup à marcher, courir ou grimper sur un terrain accidenté. De plus, les plateformes matérielles existantes à dos rigide, comme le Mini Cheetah, sont tout à fait capables, et je pense que nous n'avons pas encore exploité tout le potentiel de ces robots. Les algorithmes de contrôle restent le principal facteur limitant pour les appareils à pattes d'aujourd'hui, et l'ajout d'une colonne vertébrale flexible conduirait probablement à des problèmes de contrôle encore plus complexes »
