Azevedo e gli ITAndroids: la squadra di robot umanoidi che gioca a calcio

Judy Warner: Da quanto tempo esiste la squadra degli ITAndroids e come è nata?

Arthur Azevedo: Il team ITAndroids è stato creato nel 2005 da Jackson Matsura. All’epoca, era ancora uno studente di master, ora è professore del dipartimento di elettronica. Quindi altri tre studenti si sono uniti alla squadra, due laureandi e uno studente di master, vincendo la 2D Soccer Simulation della RoboCup dell’America Latina (LARC) quello stesso anno. Sono diventati subito una delle migliori squadre latinoamericane, partecipando alla RoboCup dal 2006 al 2008, prima dello scioglimento della squadra.

Il team è stato ricreato nel 2011 riuscendo a competere nella Robocup 2012 nella categoria 2D Soccer Simulation. La squadra ha ottenuto il decimo posto. Nello stesso anno, ha ottenuto tre trofei al LARC 2012: 1° posto nella 2D Soccer Simulation, 1° posto nella 3D Soccer Simulation e 3° posto nella Humanoid Robot Racing (HRR). Nello stesso anno, ha iniziato a reclutare e formare nuovi membri e da allora la crescita è stata esponenziale. ITAndroids ha vinto 4 volte la simulazione di calcio in 2D di LARC.

Nel 2012, abbiamo iniziato a progettare un nostro hardware per competere nella Very Small Size League. Nel 2017, ci siamo qualificati nella KidSize Humanoid League alla Robocup 2017. Nello stesso anno, abbiamo anche ottenuto un secondo posto nel LARC HRR, gareggiando con un robot commerciale (Darwin-OP2) e un robot progettato e costruito interamente da noi chiamato Chape. Stiamo anche iniziando a progettare un robot per competere nella Small Size League e puntiamo ad avere una squadra completa pronta per il LARC 2018.

Warner: Sembra un percorso lungo e di grande successo! Da quanti studenti è formata la vostra squadra e quanti sono nel team elettrico e in quello di progettazione?

Azevedo: Siamo circa 60 studenti, divisi tra diversi progetti di robotica. Costruiamo tre tipi di robot fisici (Very Small Size, Small Size e Humanoid), e quindi abbiamo tre gruppi di progettisti elettrici dedicati alla progettazione specifica di questi robot. Il gruppo di progettazione elettrica umanoide è composto da quattro studenti del primo, secondo e quarto anno che possono contare sull'aiuto di un ingegnere esperto. Il gruppo si occupa di specifiche tecniche, progettazione, test, schede di produzione e supporto all'assemblaggio e all'integrazione del robot.

Warner: Puoi dirci di più sui tipi di robot che realizzate?

Azevedo: Il team di ITAndroids partecipa a cinque categorie di gara, due simulate e tre fisiche.

Soccer Simulation 2D: questa categoria non include lo sviluppo hardware e si concentra esclusivamente sulla strategia dei robot autonomi in una partita di calcio. I progetti per quest'anno includono un importante refactoring del codice, la correzione di bug, l’ottimizzazione della leggibilità e la migrazione ai pattern della squadra. C'è stata anche l'implementazione di una strategia dinamica di assegnazione dei ruoli agli agenti.

Soccer Simulation 3D: Questa categoria comporta tutte le sfide della precedente, aggiungendo la simulazione di robot umanoidi tridimensionali, che richiedono l'implementazione di movimenti. I progetti di quest'anno si sono concentrati principalmente sull'ottimizzazione dei parametri per i movimenti e la navigazione, sugli strumenti di clustering per queste ottimizzazioni e su un metodo più efficiente per testare i robot.

Humanoid: consiste nello sviluppo di un robot umanoide fisico e nell'implementazione di tutte le tecniche presenti in Soccer Simulation 3D, ma con un robot reale.

Grazie alla produzione del nostro modello umanoide, chiamato affettuosamente Chape, abbiamo espanso significativamente le nostre conoscenze in merito di hardware. Chape è basato su un robot Darwin-OP importato che usiamo dallo scorso anno. Il progetto hardware è stato impegnativo sia dal punto di vista meccanico, con la lavorazione e stampa di quasi tutti i robot, sia per quanto riguarda l'hardware elettrico che è stato progettato con l'utilizzo di Altium Designer^®. Il team di sviluppo del software ha lavorato duramente per migliorare i movimenti e la visione del robot.

I robot sono stati tutti ultimati in un solo semestre, assicurando la partecipazione della squadra alla competizione Robocup di giugno.

Very Small Size (VSS): è una squadra di tre diversi robot di formato cubico che giocano una partita di calcio. Abbiamo utilizzato Altium per la progettazione dei nuovi robot, inclusi la scheda di elaborazione e i motori avanzati. Il software ha aiutato parecchio a portare avanti la nostra strategia, aiutandoci anche a creare un simulatore per i test.

Small Size: Può essere considerato un'estensione della categoria precedente, con un team più grande e robot con una struttura meccanica più complessa. Essendo una nuova categoria, il progetto è andato avanti tutto l'anno, promuovendo un'ulteriore crescita delle nostre capacità hardware. Ancora una volta, Altium ha giocato un ruolo importante nel nostro lavoro. È stato necessario sviluppare anche un software personalizzato, il che si è rivelato un progetto parecchio impegnativo.

Warner: Gareggiate anche nelle gare RoboCup. Puoi raccontare ai nostri lettori la tua esperienza in questi eventi?

Azevedo: Competere alla Robocup è stata un'opportunità straordinaria perché abbiamo potuto mettere i nostri progetti alla prova sul campo, vedendoli funzionare e interagire dal vivo. Conoscere squadre da tutto il mondo è stato molto stimolante e una preziosa opportunità di crescita. Parlare con ingegneri e studenti di tutto il mondo ci ha aiutati a crescere e a migliorarci. Partecipare alla Robocup regala maturità alla squadra, robustezza al sistema e aumenta le possibilità di networking.

Warner: Sembra che siano state esperienze davvero indimenticabili. Che tipi di schede alimentano i vostri robot e come avete imparato a progettarle?

Azevedo: Il robot umanoide Chape è stato pensato con un certo grado di modularità e una facile manutenzione. L'architettura elettrica richiede diversi tipi di schede che condividono i ruoli di stabilizzazione e distribuzione dell'alimentazione, rilevamento e controllo dell'attuatore, comunicazione dati di basso livello, monitoraggio dello stato di salute, usabilità, debug e manutenzione.

L'architettura è composta da 2 schede: Il PCB è il power manager, costituito da una scheda smart con un algoritmo di controllo della potenza dedicato. Il bus di tensione regolato è generato nel PCB. Il bus di tensione non regolato ad alta potenza è creato invece dalla gestione delle sorgenti di alimentazione come una batteria e un alimentatore esterno.

La CMB è il cuore del layer fisico di basso livello. È il controllo delle schede di monitoraggio che controlla i servocomandi, interpreta i dati dal suo modulo inerziale incorporato, esegue azioni di sicurezza in base alla lettura della temperatura interna, comanda la ventola di raffreddamento, controlla i LED e un buzzer di segnale, ed esegue la distribuzione di bus ad alta tensione non regolati. La comunicazione con il computer principale ad alta elaborazione avviene tramite un NUC i5 di Intel che esegue lo scambio dati e che consente al robot di camminare, correre e calciare. La comunicazione con il mini PC NUC di Intel avviene tramite USB 2.0 e l'adattamento di impedenza di una coppia di dati differenziale. Un bus I2C integra le restanti schede composte da led, buzzer e pulsanti per consentire l'interazione con il robot.

Per quanto riguarda il processo d'apprendimento, tutto inizia con un breve corso incentrato sulla progettazione elettronica, in cui vengono studiati i principi della progettazione. Gli studenti più anziani offrono la loro esperienza al gruppo, che è assistito da un ingegnere esperto volontario. Gli studenti dedicano parecchio del loro tempo all’aggiornamento e all’apprendimento costante attraverso i corsi universitari, l'aiuto dei docenti e su Internet.

Warner: Parlaci del ruolo che gli ingegneri esperti svolgono nella tua squadra.

Azevedo: Visto che il team è composto principalmente da studenti universitari, spesso non abbiamo né l'esperienza né la maturità sufficienti per soddisfare le esigenze del team. Tuttavia, possiamo contare sui nostri mentori.

Siamo seguiti da quattro ingegneri esperti: due per l'elettronica (Miguel Angelo Sampaio e José Roberto Colombo Jr.), uno per la meccanica (Daniela Vacarini de Faria) e un professore di consulenza in software e controllo (Marcos Ricardo Omena de Albuquerque Máximo).

I mentori elettronici hanno fatto davvero un gran lavoro per quanto riguarda lo schema elettrico Chape e VSS e nella progettazione del layout PCB. Il mentore meccanico è stato fondamentale per lo sviluppo del robot Chape, sia nella progettazione CAD che nella fase di produzione. Hanno anche offerto un po' di supporto alla squadra della Small Size League. Il professore ha dedicato tempo e impegno per la buona riuscita del progetto. Ci dà supporto prezioso in una moltitudine di discipline e ha sviluppato l'algoritmo di camminata dei robot umanoidi durante il suo dottorato di ricerca. Inoltre, ogni anno, i mentori offrono lezioni alla squadra per mantenere i suoi membri sempre aggiornati.

Warner: A cosa sta lavorando il team quest'anno?

Azevedo: il 2017 è stato un anno di grande crescita per ITAndroids. Dagli aspetti amministrativi a quelli tecnici, il lavoro non è certamente mancato. Oltre agli impegni di routine, abbiamo preso parte a due grandi eventi: la competizione internazionale Robocup, la Robocup latinoamericana (LARC) e a un evento più piccolo incentrato sulla modalità IEEE Very Small Size (VSS). Gli sforzi compiuti negli anni ci hanno regalato cinque trofei in queste competizioni.

A livello accademico, incoraggiamo sempre i nostri studenti a portare avanti la ricerca. Questo si è tradotto in sei articoli pubblicati.

Warner: Congratulazioni, Arthur per un anno di grandi soddisfazioni e congratulazioni all'appassionato gruppo di studenti, professori e mentori che hanno contribuito a rendere la squadra un tale successo! Grazie per averci dedicato il tuo tempo prezioso.

Arthur: Grazie a voi per l'opportunità.