CARA – Cão-robô de alta precisão que usa cabos

• CARA é um cão-robô de alta precisão que utiliza um mecanismo de cabos, diferenciando-se das abordagens convencionais
• Para a calibração da posição inicial, cada articulação passa por um processo de homing que detecta variações de corrente para encontrar os limites físicos
• Por meio de três tipos de equações — cinemática inversa (IK), cinemática direta (FK) e cinemática rotacional (RK) — controla com precisão a posição e a postura das pernas
• Usa um padrão de caminhada baseado em trajetória cicloidal para implementar deslocamento natural e movimentos suaves
• Com gait de trote, as pernas diagonais se movem ao mesmo tempo, oferecendo suporte a vários movimentos, como direção de avanço e rotação

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Programação

Sequência de homing

• A primeira etapa da programação do CARA é o desenvolvimento da sequência de homing das articulações (calibração automática de posição)
• No homing, apenas o encoder de posição absoluta no eixo do motor de cada articulação permite medir a posição relativa da articulação
• Na inicialização, a articulação é girada até o limite físico, e a chegada a esse ponto é detectada por meio do aumento de corrente
• Após atingir o limite físico, torna-se possível definir a posição absoluta da articulação
• Esse processo deve ser executado obrigatoriamente uma vez a cada inicialização

Cinemática

• Para controlar o movimento do corpo, são usadas três equações: cinemática inversa (IK), cinemática direta (FK) e cinemática rotacional (RK)
• Equação de IK: calcula os ângulos das articulações necessários para posicionar a perna (pé ou end effector) na posição X, Y, Z desejada
• Equação de FK: recebe os ângulos atuais das articulações e calcula a posição X, Y, Z do pé
• No planejamento de trajetória, primeiro a FK calcula a posição atual e, até o ponto-alvo, são feitos cálculos de waypoints intermediários (usando a biblioteca Arduino RAMP); em cada waypoint, a IK calcula os ângulos das articulações
• Equação de RK: usada para calcular a posição dos pés necessária para rotações do corpo com base em roll, pitch e yaw (eixos de rotação)
  • Com base na posição dos pés calculada pela RK, a IK é usada novamente para obter os ângulos
  • É aplicada em controle de postura (pose control) e manutenção da estabilidade, contribuindo para rotações do corpo no lugar e para o equilíbrio do robô

Marcha

• A marcha do CARA aplica uma trajetória de passo baseada em ciclóide para realizar movimentos suaves e realistas
• Trajetórias de passo triangulares e quadradas também foram testadas, mas ficaram atrás em termos de suavidade, desvio de obstáculos pelas pernas e naturalidade dos movimentos
• A marcha principal é o gait de trote (movimento simultâneo das pernas diagonais), composto por fase de swing (movimento para frente no ar) e fase de stance (empurrar para trás no chão)
• Durante a marcha, as fases de swing e stance se alternam entre os pares de pernas diagonais, criando uma passada contínua
• Em deslocamentos em direções diferentes de frente e ré, o padrão de trote é mantido, alterando-se apenas o ângulo do passo das pernas
• Ao girar, um par pisa para fora e o outro para dentro, tornando possível realizar curvas ou rotação no próprio eixo

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Comentários do Hacker News

• Eu assisti repetidamente aos vídeos de capstan drive do Aaed, é um trabalho realmente incrível: alta velocidade, alto torque, boa conformidade e praticamente zero backlash; é fascinante ver uma mentalidade de engenharia tão afiada
  • Eu também descobri os vídeos dele recentemente, e toda vez que assisto surgem várias ideias de coisas que eu queria construir; é uma pena faltar tempo (tem até uma breadboard aqui do lado esperando pela minha atenção). O curioso é o algoritmo do YouTube: temas que eu vejo primeiro no YouTube muitas vezes aparecem no Hacker News uma ou duas semanas depois. Fico em dúvida se isso é sinal de que o algoritmo é bom, ou de que falhou. Com certeza ele mostra bem alguns vídeos populares para quem tem interesse, mas fico me perguntando se o que estou vendo é realmente o melhor, ou apenas algumas obras excelentes que acabaram recebendo atenção por acaso. Às vezes encontro tarde demais canais úteis que já existem há anos, e isso me faz sentir que provavelmente há muito mais conteúdo bom que valeria a pena ver; aí fico pensando se eu só dei azar de não ter visto antes, se só agora dei sorte, ou se o algoritmo detectou aleatoriamente algum limiar ou característica do meu interesse e passou a recomendar
  • Antigamente, usávamos capstans em equipamentos de escaneamento de rolos de filme; eram rápidos, precisos e sem backlash, uma tecnologia realmente ótima. Então eu achava que não eram muito usados por falta de alto torque ou por desgaste, mas aparentemente não é bem assim
  • Aaed é um dos meus criadores favoritos. Claro, no YouTube há engenheiros ou especialistas ainda melhores, e pessoas mais engraçadas, mas ele mostra um equilíbrio realmente muito bom. Também sigo muitos canais de tecnologia, divulgação científica e design industrial; se houver interesse, posso compartilhar uma lista de recomendações, estou organizando meus canais no momento
  • Não vi o vídeo sobre o cachorro entre os vídeos de capstan drive, mas o vídeo de explicação básica (High Precision Speed Reducer Using Rope) foi excelente. Estou sonhando com essa técnica há um ano, especialmente porque na mesma época também tinha gente trabalhando com atuadores do robô da Vinci (controle de alta precisão com cabos), o que deixou tudo ainda mais impressionante. (Building a DIY Surgical Robot)
• Vi esse vídeo na semana passada e fiquei realmente de boca aberta; ele é um técnico excepcional e, ao mesmo tempo, explica muito bem. Ele detalha bastante a estratégia de testes, então deu para entender seu modo de pensar e sua metodologia, e ele resume tudo no ponto certo sem se alongar desnecessariamente; é realmente uma obra-prima
• Na verdade encontrei o Aaed na semana passada; ele estava imprimindo peças do projeto (trabalhamos na mesma empresa), e ver isso chegar ao nº 1 no HN parece um sonho
• A apresentação foi realmente excelente; acho que alguém precisa contratar esse cara logo
  https://www.aaedmusa.com/
  • Vou usar isso como inspiração para meu filho de 12 anos montar o próprio site desse jeito depois de terminar a formação: "CARA (Capstans Are Really Awesome) é o meu mais novo robô quadrúpede, sucessor do ZEUS, ARES e TOPS. Foi construído ao longo de um ano e é o robô quadrúpede mais dinâmico e mais bem projetado que já fiz"
  • Para alguém com esse talento, motivação e capacidade de execução já comprovados, seguir um caminho comum de emprego em empresa talvez seja justamente o rumo menos adequado. Seria muito melhor apoiar a startup dele
  • Ele talvez já esteja plenamente satisfeito só com o projeto e com a atividade no YouTube
• Não é só a implementação em robótica que impressiona, mas também a forma como ele transmite isso ao público em vídeo. A qualidade dos vídeos na internet hoje em dia realmente me impressiona. As ferramentas disponíveis para uso em oficinas pessoais estão cada vez melhores, e acho que veremos muito mais descobertas assim no futuro
• Acho que já houve antes um post sobre ele aqui no HN, mas ver novamente alguém construindo coisas tão incríveis e ensinando por vídeo me deixou admirado de novo; agora vou me inscrever para não perder mais
• Isso é realmente impressionante e inspirador
• Professor of Upstairs Neighboring. https://youtu.be/8s9TjRz01fo?t=1128
• Fico me perguntando por que foi necessário tanto esforço para obter uma relação de transmissão tão "precisa"; ter muitos números não significa necessariamente ser "preciso". E também me pergunto quão resistente essa estrutura é a desgaste ou fadiga
  • Na prática, talvez nem tenha dado tanto trabalho assim; quando se faz impressão 3D, de qualquer forma você acaba reimprimindo duas ou três vezes, e nesse processo ajustar a relação de transmissão sai naturalmente. E, se você quiser defender um projeto como sendo de "alta precisão" e dar conselhos a outras pessoas sobre projeto de engrenagens de transmissão, então, se o alvo era uma relação de 8, não dá para ficar satisfeito com algo vagamente entre 7,9 e 8,2
  • Isso é um problema de cinemática; quanto mais preciso for o conjunto de engrenagens, melhor o modelo bate com a realidade. Por isso, profissionais colocam motores diretamente nas articulações em situações com alto impacto, em vez de usar engrenagens ou cordas. Levar deformação/elasticidade em conta é inviável na prática. Pelo menos era assim na robótica que vi recentemente

  • ter muitos números não significa ser preciso
    Na verdade, não é justamente essa a definição de precision, ter mais casas decimais?

  • Essa parte ficou um pouco confusa para mim no vídeo; talvez fosse uma limitação das ferramentas usadas
• Obrigado por compartilhar um vídeo tão divertido e tão bem feito; foi um projeto realmente prazeroso de ver, e a capacidade de explicação parece excepcional. Essa habilidade de comunicação é realmente admirável, e eu também queria ser melhor nisso