عبور ربات چهارپای Unitree Go1 از مسیرهای ناهموار، فقط با حسگرهای پا و بدون نیاز به دوربین

ربات‌های چهارپا مانند محصولات شرکت Boston Dynamics و ربات ANYmal معمولاً پیش از برداشتن هر قدم، از حسگرهای لایدار (LiDAR)، دوربین‌های عمق‌سنج یا دوربین‌های استاندارد RGB برای بررسی پستی‌وبلندی‌های زمین استفاده می‌کنند. این حسگرها هزینه، وزن، مصرف انرژی و پیچیدگی‌های مربوط به کالیبراسیون را افزایش می‌دهند. علاوه بر این، وجود دود و گردوغبار می‌تواند دقت اندازه‌گیری‌های لایدار و دوربین‌های عمق‌سنج را کاهش دهد و نور کم نیز عملکرد دوربین‌های معمولی را مختل می‌کند.

پژوهشگرانی از مؤسسه فناوری ایتالیا (IIT)، دانشگاه صنعتی دلفت (TU Delft)، دانشگاه ترنتو، دانشگاه منچستر و مرکز هوافضای آلمان (DLR) رویکرد کم‌هزینه‌تری را روی ربات Unitree Go1 آزمایش کرده‌اند. مقاله علمی این تیم، فرآیندهای نقشه‌برداری از زمین، تشخیص تماس و تخمین وضعیت را با استفاده از داده‌های حسگرهای حرکتی داخلی (Proprioceptive) خودِ ربات ترکیب می‌کند؛ حسگرهایی که شامل واحد اندازه‌گیری اینرسی (IMU)، انکودرهای مفاصل و حسگرهای سنجش نیروی کف پا هستند. خروجی این تخمین‌ها به یک کنترل‌کننده پیش‌بین مبتنی بر مدل (MPC) ارسال می‌شود که به محدودیت‌های ایمنی صریح و دقیق مجهز شده است.

نابینایی کامل تا لحظه لمس زمین با پا

حسگرهای درک وضعیت داخلی نشان می‌دهند که ربات چگونه حرکت می‌کند و پاهایش در چه نقاطی با زمین تماس دارند، اما هیچ دید اولیه‌ای از زمین‌های لمس‌نشده پیش رو ارائه نمی‌دهند. ربات شکل زمین را دقیقاً زمانی یاد می‌گیرد که پاهایش به آن می‌رسند و سپس این اطلاعات را در یک نقشه محلی ذخیره می‌کند.

روش‌های متداول مبتنی بر حسگرهای داخلی معمولاً شیب زمین را از چهار نقطه تماس فعلی تخمین می‌زنند یا تاریخچه‌ای از موقعیت‌های قبلی قرارگیری پاها را فیلتر می‌کنند. رویکرد اول اطلاعات چندانی فراتر از وضعیت ایستادن فعلی ربات به دست نمی‌دهد و رویکرد دوم نیز ممکن است ویژگی‌های تیز و برجسته زمین، مانند لبه‌های سکوها را تار و نامفهوم کند. هم‌چنین جدا بودن ماژول‌های تخمین‌گر زمین، تشخیص تماس و وضعیت بدنه باعث می‌شود اطلاعات یک بخش نتواند خطاهای بخش دیگر را تصحیح کند.

یک خطای عملکردی موسوم به تماس کاذب (Pseudo-contact)، هزینه این جداسازی ماژول‌ها را دوچندان می‌کند. ممکن است پای ربات زمین را لمس کند، اما نیروی اندازه‌گیری‌شده کمتر از حد آستانه ثابت باقی بماند و در نتیجه، کنترل‌کننده به اشتباه تصور کند که پا هنوز در هوا در حال حرکت است. این وضعیت تماس نادرست در ادامه باعث خراب شدن نقشه زمین، خطا در تخمین ارتفاع بدنه و به هم ریختن الگوی تکیه‌گاه مورد استفاده برای حفظ تعادل ربات می‌شود.