El Instituto Tecnológico Shibaura (profesor asociado Takuya Otani, Facultad de Ciencias e Ingeniería de Sistemas [Laboratorio de Sistemas Robóticos Humanos]), la Universidad de Waseda (profesor Atsuo Takanishi, Facultad de Ciencias e Ingeniería) y Fujitsu Limited han anunciado el desarrollo de un método innovador para controlar de forma eficiente la postura de los robots utilizando tecnología de computación cuántica. Este nuevo enfoque facilita el cálculo eficiente y preciso de la cinemática inversa, es decir, la determinación de los ángulos de las articulaciones a partir de la posición del target end-effector, para robots multi-joint, aprovechando la representación de la posición basada en qubits y el entrelazamiento cuántico. La verificación realizada con el simulador cuántico de Fujitsu logró una reducción del error de hasta un 43 % con menos cálculos en comparación con los métodos convencionales. La eficacia del entrelazamiento cuántico también se confirmó mediante un experimento realizado en el ordenador cuántico de 64 qubits desarrollado conjuntamente por RIKEN y Fujitsu.
Al expresar la orientación y la posición de cada enlace del robot como un qubit, y al replicar la influencia estructural de los movimientos de las articulaciones principales sobre las articulaciones secundarias a través del entrelazamiento cuántico, se redujo significativamente el número de cálculos necesarios en comparación con los métodos clásicos convencionales.
A medida que la computación cuántica avanza hacia su aplicación práctica, se espera que este desarrollo contribuya de manera sustancial a la creación de robots de próxima generación que exigen un control en tiempo real y capacidades operativas complejas.
En el control de la postura de los robots, es fundamental calcular la cinemática inversa. En el caso de los robots con múltiples articulaciones, las combinaciones de ángulos posibles son numerosas, lo que requiere cálculos iterativos para minimizar la discrepancia con respecto a la posición deseada y da lugar a una elevada carga computacional. Para un modelo multi junta de cuerpo completo con 17 articulaciones, equivalente al número de articulaciones del cuerpo humano, el número de cálculos posibles es demasiado elevado para poder resolverlo directamente. Un enfoque habitual ha sido realizar cálculos de movimiento con una aproximación de 7 articulaciones, pero esto limita la fluidez del movimiento.
En esta investigación, se ha propuesto un nuevo método que aprovecha el poder de la computación cuántica para abordar estos retos. La orientación y la posición de cada parte del robot (enlace) se representan mediante qubits, y la cinemática directa, es decir, el cálculo de la posición del efector final a partir de los ángulos de las articulaciones se lleva a cabo utilizando circuitos cuánticos. Los cálculos de cinemática inversa se realizan en ordenadores clásicos, lo que permite un control eficiente de la postura mediante un enfoque híbrido cuántico-clásico.
Mayor velocidad de convergencia y precisión con el entrelazamiento cuántico
Además, al introducir el entrelazamiento cuántico, se reproduce en el circuito cuántico la estructura en la que el movimiento de las articulaciones principales influye naturalmente en las articulaciones secundarias. Esto mejoró significativamente la velocidad de convergencia y la precisión de los cálculos de cinemática inversa. Además, un cálculo de prueba demostró que los cálculos de movimiento para un modelo multi junta de cuerpo completo con 17 articulaciones pueden ejecutarse en aproximadamente 30 minutos.
Aplicaciones previstas en robots humanoides y multi junta
Este método puede expresar la postura de robots multi junta con un número reducido de qubits, lo que lo hace implementable incluso en los ordenadores cuánticos de escala intermedia (NISQ) actuales. En el futuro, esta tecnología podría aplicarse al control en tiempo real de robots humanoides y manipuladores multi junta, a la evitación de obstáculos y a la optimización energética. También se esperan nuevas mejoras en el rendimiento mediante la combinación con algoritmos cuánticos avanzados, como la transformada cuántica de Fourier.
Detalles del artículo de investigación
Autores:
・Takuya Otani, Instituto Tecnológico de Shibaura, Facultad de Ciencias y Ingeniería de Sistemas
・Atsuo Takanishi, Universidad de Waseda, Facultad de Ciencias e Ingeniería
・Nobuyuki Hara, Fujitsu Limited
・Yutaka Takita, Fujitsu Limited
・Koichi Kimura, Fujitsu Limited
Título: Quantum computation for robot posture optimization.
