Boston Dynamics, il costruttore americano di robot umanoidi di proprietà del gruppo Hyundai, ha presentato la nuova generazione di mani per Atlas dotata di quattro dita, 13 gradi di libertà e attuazione diretta su ogni giunto. La versione precedente si fermava a 7 gradi di libertà.
Se le mani da 7 gradi di libertà erano state progettate per afferrare un’ampia varietà di oggetti, la nuova mano è pensata per manipolarli: far scorrere un pezzo tra le dita, riorientarlo, recuperarlo quando sta scivolando, azionare il grilletto di un utensile. Atlas, di cui vi avevamo raccontato i primi test sulle linee di produzione Hyundai, deve infatti usare oggetti e infilarsi in spazi dimensionati per le persone.
Nella progettazione di una mano destrezza, forza, robustezza, costo, riparabilità e sensorizzazione competono tra loro. I requisiti fissati per questa mano erano cinque: svolgere un’ampia gamma di compiti utili, compresa la possibilità di adoperare utensili; resistere all’uso intensivo in ambienti industriali e logistici; ridurre al minimo il divario con i dati di dimostrazione umana; poter essere integrata nel tool di simulazione per l’addestramento e la generazione di dati sintetici sim2real; poter essere prodotta in serie e riparata a basso costo.
Indice degli argomenti
Quattro dita e un pollice con quattro gradi di libertà
Il pollice, opponibile e con una configurazione molto vicina a quella umana, ha 4 gradi di libertà. Le altre tre dita ne hanno 3 ciascuno, così da poter essere divaricate e da consentire il controllo completo dei polpastrelli. Tutti i giunti usano lo stesso tipo di attuatore, completamente incapsulato e senza cavi che attraversano le articolazioni, come accade nel resto del corpo di Atlas.
Le dimensioni sono quelle di una mano umana grande, un vincolo che condiziona a sua volta la taglia degli attuatori. Grazie ad alcune soluzioni di attuazione l’azienda mantiene una forza simile a quella della mano precedente, capace di trasportare un minifrigo carico da oltre 45 kg.
Gli attuatori sono “backdrivable“: si lasciano muovere dalle forze esterne e le trasmettono ai giunti, così il robot percepisce con la propriocezione ciò che accade alle dita, mentre i movimenti richiesti arrivano all’ambiente in modo trasparente. Questa caratteristica protegge anche l’hardware: in caso di urto violento il giunto si sposta e il riduttore non si danneggia, come spiegano i progettisti nel video di presentazione.
La propriocezione è affiancata da sensori di pressione tattili ad alta densità su polpastrelli e palmo, in grado di rilevare anche contatti molto deboli.
La cinematica è stata ottimizzata per la manipolazione in mano. Atlas può far scorrere la punta del pollice lungo e attraverso ciascuna delle altre dita, eseguire prese di precisione tra il pollice e qualsiasi altro dito, realizzare prese tripodali e impugnare utensili con grilletto come trapani, avvitatori a coppia, smerigliatrici, chiodatrici e torce di saldatura.
Ecco perché manca il mignolo
La mano, dicevamo, ha quattro dita. Aggiungere un mignolo non sarebbe stato difficile, grazie alla modularità del progetto, e avrebbe avvicinato la mano a quella umana, ma gli sviluppatori si sono chiesti che cosa aggiungesse il mignolo a una mano pensata per essere funzionale.
A risolvere la questione è stato un esperimento. Il CTO di Boston Dynamics ha chiesto ai progettisti di legarsi con il nastro mignolo e anulare per un’intera giornata e di riferire che cosa non riuscissero più a fare. Alla fine tutti hanno concordato che era possibile fare a meno del mignolo.
Quattro dita e 13 gradi di libertà consentono già di riorientare gli oggetti che si tengono in mano, recuperare un oggetto che sta scivolando dalla mano e gestire un utensile mentre se ne preme il grilletto. Il quinto dito avrebbe richiesto tre attuatori in più, con maggiori costo, ingombro e probabilità di guasto. Boston Dynamics definisce la mano una scommessa di lungo periodo, in vista della produzione di hardware affidabile in grandi volumi e a basso costo, e richiama il principio secondo cui “il componente migliore è quello che non c’è”.
Una mano progettata per essere simulata
Il progetto poggia su una convinzione: l’apprendimento per rinforzo (RL) in simulazione è un ingrediente essenziale per risolvere la manipolazione destra, come lo è già per il controllo dell’intero corpo. I controllori che gestiscono equilibrio, recupero dopo uno sbilanciamento e compensazione di gravità o spinte esterne vengono oggi sempre addestrati con RL in simulazione.
Imitare direttamente l’uomo resta un punto di partenza importante. Con guanti sensorizzati e Universal Manipulation Interface (UMI) si possono raccogliere dimostrazioni in modo naturale, insieme a dati sui contatti e sulla distribuzione della pressione. Secondo Boston Dynamics questi dispositivi restituiscono però solo segnali indiretti: bastano per preaddestrare la fisica intuitiva della manipolazione, ma non per eseguire policy di controllo ad alte prestazioni, cioè le strategie con cui il robot decide come muovere le dita.
Per questo la mano è stata costruita per il trasferimento sim2real, cioè il passaggio dalla simulazione all’hardware reale. La trasmissione rigida, l’attuazione backdrivable e gli algoritmi che compensano cogging e attrito permettono di simularla con alta fedeltà dinamica. Una simulazione fedele rende il RL più efficace, perché le policy di controllo possono essere esposte a variazioni casuali di coppia dei motori, attrito delle superfici, geometria degli oggetti e disturbi.
I progettisti indicano tre aspetti da riprodurre nel simulatore: la cinematica, cioè la geometria di segmenti e giunti; la dinamica, che comprende attrito, coppie applicabili e gioco meccanico; la dinamica di contatto, cioè il modo in cui la mano interagisce con l’ambiente. I compiti scelti per i test richiedono la riorientazione di oggetti e sono rappresentativi di ciò che servirà per usare utensili o assemblare componenti.
I primi risultati sono promettenti. I comportamenti per compiti dinamici vengono addestrati interamente in simulazione, con randomizzazione del dominio, e poi eseguiti sull’hardware reale usando come unico feedback la propriocezione degli attuatori rilevata ad alta frequenza. Boston Dynamics sta lavorando per estendere il processo su scala molto più ampia.
Qui potete vedere un video piuttosto esaustivo
Perché in fabbrica serve la destrezza
Buona parte dell’automazione industriale attuale riguarda operazioni di pick and place nelle quali i pezzi devono arrivare in determinate posizioni controllate ed esistono pinze specializzate per ogni componente. Ma secondo Boston Dynamics costruire attrezzature, end effector e celle dedicate intacca il vantaggio economico della soluzione. L’umanoide promette invece una flessibilità decisamente superiore, potendo prelevare e posizionare qualsiasi pezzo, in qualsiasi configurazione, da scaffali, casse, scatole, alloggiamenti, vani o mucchi.
Fuori dal perimetro già automatizzato la necessità di destrezza è ancora più evidente. La maggior parte dei processi manuali richiede di usare utensili, maneggiare cavi deformabili o prelevare pezzi alla rinfusa (bin picking).
Boston Dynamics esclude che possa esistere una mano davvero general purpose, perché ogni progetto favorisce alcuni compiti a discapito di altri. Le dita devono essere a volte più morbide, per non graffiare le superfici, a volte più rigide, per esercitare forze maggiori; a volte servono punte sottili come pinzette, a volte più larghe come tenaglie.
Aristotele definiva la mano “strumento degli strumenti”, e l’azienda ne trae questa conclusione: il manipolatore general purpose definitivo sarà una mano affidabile, capace di usare utensili e senza complicazioni eccessive. Per questo l’uso degli utensili è in cima alla lista delle priorità.
Questa mano equipaggerà la nuova generazione di Atlas, un umanoide agile con un carico utile superiore ai 45 kg e una struttura abbastanza semplice da poter essere prodotta in serie.
