Field Assessment of Force Torque Sensors for Planetary Rover Navigation

La sensazione del terreno: Come i robot imparano a "camminare" su mondi alieni

Immaginate di guidare un'auto su una strada sterrata sconnessa. Non potete vedere le buche davanti a voi, ma potete sentirle. Il vostro sedile trema, il volante vibra e i vostri pneumatici si schiacciano nel fango. Quella sensazione è il modo in cui la vostra auto vi dice: "Ehi, qui il terreno è morbido!" oppure "Attenzione, quella pietra è dura!". Per gli esseri umani, questo è facile; i nostri corpi sono pieni di sensori che ci dicono come ci stiamo muovendo e cosa stiamo toccando. Ma per un robot inviato su un pianeta lontano come Marte, le cose sono molto più difficili. Questi robot, chiamati rover, sono come esploratori ciechi. Si affidano alle telecamere per vedere e ai computer per pensare, ma spesso mancano di un buon senso di "propriocezione" — il senso interno di dove si trovano le parti del proprio corpo e di come interagiscono con il mondo.

Per navigare in sicurezza, i rover utilizzano solitamente un Unità di Misura Inerziale (IMU). Pensate a un'IMU come a un orecchio interno ad alta tecnologia; dice al robot se si sta inclinando, se sta tremando o se sta accelerando, ma non dice al robot esattamente quanto forte le sue ruote stiano spingendo contro il terreno. Esiste un altro tipo di sensore chiamato Sensore di Forza-Coppia (FTS). Se un'IMU è l'orecchio interno, un FTS è come un polpastrello supersensibile. Può misurare esattamente quanta forza viene applicata e in quale direzione. Gli scienziati si sono spesso chiesti: dare a un rover di Marte questi "polpastrelli" sulle sue ruote potrebbe aiutarlo a capire meglio il terreno, evitare di rimanere bloccato nella sabbia e guidare con più sicurezza? Questa è la grande domanda a cui i ricercatori si sono posti.

Il robot con i "polpastrelli" sulle ruote

In questo studio, un team di ricercatori ha portato un robot chiamato MaRTA (Martian Rover Testbed for Autonomy) in un semi-deserto in Spagna che somiglia molto alla superficie di Marte o della Luna. MaRTA è un robot a sei ruote, ma con un tocco speciale: invece di avere solo una telecamera e un orecchio interno, ha sei "polpastrelli" (Sensori di Forza-Coppia) montati sulle sue gambe, proprio sopra le ruote. Il team ha guidato MaRTA su diversi tipi di terreno — suolo sciolto, sabbia compressa, ghiaia e roccia solida — a varie velocità e angolazioni. Il loro obiettivo era vedere se i dati provenienti da questi "polpastrelli" potessero aiutare il robot a capire su che tipo di terreno stava camminando e quanto bene stesse facendo presa sulla superficie.

Il robot può "sentire" il terreno?
I ricercatori hanno scoperto che la risposta è un deciso "sì", ma con alcune riserve. Quando hanno usato i dati dei Sensori di Forza-Coppia per insegnare a un programma informatico come riconoscere il terreno, il robot è diventato bravissimo in questo. Infatti, i sensori sono stati sorprendentemente bravi nel distinguere tra "ghiaia" e "roccia", un compito in cui l' "orecchio interno" (l'IMU) del robot faticava. I sensori potevano rilevare le minuscole vibrazioni e le forze che si verificano quando una ruota rotola su un ciottolo rispetto a una roccia piatta. Il team ha testato questo utilizzando due diversi "cervelli" informatici: una Macchina a Vettori di Supporto (SVM) e una Rete Neurale (NN).

Quando hanno utilizzato la Rete Neurale con i dati della Forza-Coppia, il robot ha identificato correttamente il terreno circa il 96,17% delle volte. Questo è stato un enorme miglioramento rispetto all'uso del solo IMU, che lo aveva individuato correttamente solo circa il 79,35% delle volte. Ancora meglio, quando hanno combinato i "polpastrelli" (FTS) con l' "orecchio interno" (IMU), l'accuratezza è salita al 96,76%. I "polpastrelli" sono stati particolarmente efficaci nel individuare il complicato terreno di "ghiaia", che spesso confondeva gli altri sensori. Sembra che avere i sensori direttamente sulle gambe dia al robot una sensazione del terreno molto più dettagliata rispetto al semplice sentire tutto il corpo scuotersi.

Il robot può misurare la sua "trazione"?
Il team ha anche provato a usare questi sensori per misurare qualcosa chiamato "trazione alla barra" (drawbar pull). Immaginate un cavallo che tira un carro; la trazione alla barra è la forza che il cavo usa per trascinare il carico. Per un rover, questo ci dice quanta presa hanno le ruote. Se le ruote stanno slittando nella sabbia, la trazione è bassa. Se stanno facendo presa sulla roccia, la trazione è alta. I ricercatori speravano di leggere questo numero direttamente dai sensori.

Tuttavia, questa parte dell'esperimento è stata molto più disordinata. Il terreno è irregolare, il robot vibra e i sensori hanno captato molto rumore. Il team ha scoperto che non potevano semplicemente leggere un singolo numero per conoscere la trazione. Invece, dovevano essere molto astuti. Si sono resi conto che, se avessero guardato la geometria della gamba del robot, avrebbero potuto filtrare i dati rumorosi. Hanno calcolato una "lunghezza della leva" (la distanza dal sensore al punto in cui la ruota tocca il terreno) e hanno guardato solo i momenti in cui questa lunghezza era stabile, tra 10 cm e 17,5 cm.

Facendo questo, hanno visto degli schemi. Su un suolo morbido e sciolto, la forza era di circa 10 N (Newton). Sulla sabbia compressa, era di circa 20 N. Sul terreno roccioso, i numeri saltavano molto. Sebbene questo non abbia fornito una misurazione perfetta e istantanea della trazione, ha suggerito un modo per trovare momenti "buoni" nei dati in cui la misurazione potrebbe essere affidabile. Gli autori suggeriscono che, per ottenere una lettura veramente accurata, i test futuri dovranno misurare la trazione con uno strumento esterno per vedere se la loro matematica corrisponde alla realtà.

Dovremmo mettere questi sensori su ogni rover?
Ecco la conclusione più importante: i ricercatori sostengono che, sebbene questi sensori siano fantastici per le braccia robotiche (come quelle usate per raccogliere campioni), potrebbero essere troppo costosi e difficili da usare per le ruote di un rover standard. Le vibrazioni derivanti dalla guida rendono i dati difficili da interpretare per cose come la misurazione della trazione. Il team suggerisce che, per la guida semplice, potrebbe essere meglio utilizzare sensori più economici che misurano l'elettricità nei motori (il che indica comunque quanto sforzo sta compiendo la ruota).

Tutt even, c'è un caso speciale in cui questi "polpastrelli" sono molto utili: se il rover deve effettuare il "cammino con le ruote" (wheel walking). Questo è un modo elegante per dire che il robot solleva le ruote e scavalca gli ostacoli, come una persona che cammina. In questa modalità, i sensori montati sopra la ruota sono perfetti per misurare come il robot sta facendo un passo. Quindi, sebbene possano non essere la scelta migliore per una guida standard, potrebbero essere l'arma segreta per un robot che deve arrampicarsi su terreni davvero difficili.

In definitiva, il documento suggerisce che questi sensori sono uno strumento potente per comprendere il terreno, specialmente quando combinati con altri dati, ma non sono una soluzione magica per tutto. Funzionano meglio quando il robot si muove lentamente e con cautela, e potrebbero dover essere posizionati diversamente (direttamente nel mozzo della ruota) per fornire l'immagine più chiara di come il rover interagisce con il terreno alieno.