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Caso · robô simulado · Mantis HX-4

Um robô feito só de código. A telemetria achou o tropeço.

Construímos do zero, sem Blender e sem modelo importado, um louva-a-deus hidráulico em 3D: 6 membros, 34 atuadores e 79 canais de telemetria a 60 Hz. Comprimida com o TUBE, a telemetria fica 31 vezes menor e nenhuma leitura sai da tolerância declarada. Calculado só a partir dela, o veredito de estabilidade encontrou os 26 quadros em que o robô estava fora do apoio, até 7,6 cm, e não errou o lado em nenhum quadro.

Medido em simulação determinística
Vídeo · o protótipo e a telemetria, em 49 s

Gravado quadro a quadro da própria demo, com a marcha já corrigida. Sem áudio. Também em 16:9 (MP4).

Demo real

Abra o robô. A telemetria roda junto.

A demo é a mesma simulação deste estudo, rodando no navegador. O robô liga, se ergue, caminha, espreita uma presa e dá o bote. Em volta dele, os painéis mostram pressão, força na ponta das garras, carga em cada perna, marcha vista de cima e velocidade do bote, todos calculados da pose em cada quadro.

A faixa TUBE · ao vivo faz o trabalho de uma estação em terra. A cada segundo, os 79 canais viram blocos TUBE, são decodificados de volta e conferidos: o erro máximo dividido pela tolerância nunca passa de 1,00. A estabilidade é recalculada só com o que foi decodificado, e aparece como certificada, incerta ou fora do apoio.

Ao vivo, cada segundo é um bloco independente, para que um pacote perdido custe só aquele segundo. Isso cobra compressão: de 8 a 9 vezes ao vivo, contra 31 vezes no arquivo inteiro.

A demo do Mantis HX-4: o robô no centro, painéis de telemetria em volta e a faixa TUBE ao vivo mostrando 19,0 kB/s cru, 2,2 kB/s comprimido, erro sobre tolerância 1,00 e estabilidade certificada.
Atalhos: Q/E e Espaço disparam o bote, S liga a câmera lenta, X explode as peças, K mostra o núcleo em raio-X.
Quanto custa

79 canais, 610 bytes por segundo.

Gravamos três ciclos completos da simulação (66 s, 3.960 amostras por canal) e declaramos uma tolerância para cada canal, em unidade de engenharia: ângulo de junta em ±0,05°, posição do pé em ±1 mm, pressão em ±0,5 bar. A tolerância é a promessa: nenhuma leitura devolvida se afasta mais que ela.

Guardados como números de 4 bytes, os 79 canais ocupam 19,0 kB por segundo. O gzip leva para 9,0 kB/s. O TUBE leva para 610 B/s, 31 vezes menos que o cru e 14,7 vezes menos que o gzip, com o pior erro em exatamente 1,00 da tolerância. Com acesso a qualquer segundo sem descomprimir o resto, o custo sobe para 1.442 B/s (13×).

Os pés no mundo comprimem 107 vezes porque pé apoiado não se mexe: o canal é uma escada, e degrau parado não custa quase nada. As juntas, que se mexem o tempo todo, comprimem 21 vezes.

grupocanaistolerânciacruTUBE v4razão
Juntas das pernas12±0,05°185,6 KB8,9 KB21×
Pistões das pernas8±0,5 mm123,8 KB5,7 KB22×
Pés no mundo12±1 mm185,6 KB1,7 KB107×
Pés no quadril12±1 mm185,6 KB7,6 KB24×
Carga e apoio8±0,05 kN · apoio exato123,8 KB2,3 KB54×
Juntas das garras6±0,05°92,8 KB2,1 KB45×
Pontas das garras6±2 mm92,8 KB3,9 KB24×
Força e velocidade da garra4±0,1 kN · ±0,05 m/s61,9 KB2,1 KB30×
Corpo e centro de massa6±1 mm92,8 KB3,1 KB30×
Corpo e cabeça4±0,05°61,9 KB1,6 KB39×
Hidráulica1±0,5 bar15,5 KB0,2 KB66×
Total791.222,0 KB39,3 KB31×
O tropeço

O robô saiu do apoio. A telemetria comprimida viu.

Um robô de quatro pernas parado não cai enquanto o centro de massa estiver dentro do polígono formado pelos pés no chão. A distância até a borda é a margem de estabilidade. Quando uma perna levanta, o polígono vira triângulo, e o corpo precisa se deslocar para o lado certo antes.

Na primeira versão, esse balanço diminuía junto com a velocidade. No fim de cada caminhada, uma perna ainda estava no ar quando o balanço já tinha sumido, e o centro de massa saía do apoio por até 7,6 cm: 26 quadros em três ciclos, cerca de 0,15 s por ciclo. Visualmente, nada chamava atenção.

Recalculamos a margem só a partir da telemetria comprimida. O erro dela tem limite conhecido: no máximo 2√2 vezes a tolerância dos pés e do centro de massa. Fora desse limite o veredito é certificado; dentro, é incerto, e o sistema diz que não sabe.

-10010203040506010,0 s10,5 s11,0 s11,5 s12,0 smargem do centro de massa até a borda do apoio (cm)corrigidaversão 1fora do apoiozona incerta com tolerância de 1 cm (±2,8 cm)tempo no ciclo de 22 s · fim da caminhada →
Primeiro ciclo, entre 9,7 s e 12,1 s. A margem salta quando uma perna levanta ou pousa, porque o polígono de apoio muda de uma vez; o traço é interrompido nesses saltos, e trechos acima de 60 cm ficam fora do quadro.
tolerância nos pés e no centro de massacustov1: quadros fora, certificadosv1: incertosv1: vereditos erradoscorrigida: incertos
1 mm33 B/s26 de 26100
1 cm20 B/s19 de 261200
5 cm12 B/s0 de 266400
10 cm9 B/s0 de 26208095

Com 1 mm de tolerância, 33 bytes por segundo bastam para certificar os 26 quadros fora do apoio. Com 5 cm, o tropeço some do radar, mas os quadros viram incertos, não estáveis: a compressão não esconde o problema, avisa que não consegue decidir. Em nenhuma tolerância o veredito saiu do lado errado.

A correção: o balanço começa antes da primeira passada e só termina depois que a última perna pousa. A margem mínima passou de −7,6 cm para +24,1 cm, e até 5 cm de tolerância não sobra nenhum quadro incerto.

Derivar em vez de mandar

Mande os ângulos. Os pés vêm com garantia.

A posição de cada pé e o comprimento de cada pistão são funções dos três ângulos da perna. Quem recebe os ângulos pode calcular o resto. A pergunta é se a garantia sobrevive à conta.

Sobrevive, se o ângulo for mais apertado. O braço de alavanca do pé, no pior caso, soma 6,46 m; para garantir 1 mm no pé, o ângulo precisa de ±0,0089°. Com isso, os pistões ficam garantidos em 0,10 mm.

Mandar 12 ângulos apertados custa 35% menos que mandar 32 canais (ângulos, pés e pistões). O pior erro medido nos pés derivados foi 0,46 mm, dentro do 1 mm garantido. A garantia é de pior caso, por isso sobra margem.

ângulos + pés + pistões · 32 canais22,3 KBsó os ângulos (±0,0089°) · 12 canais14,4 KBpernas, 66 s a 60 Hz · −35%
O modelo de cinemática reproduz os pés gravados com erro de 1e-15 m: a diferença medida vem só da compressão.
Os bits seguem a ação

Andar custa 3,2 vezes ficar parado.

Quando o robô está parado, quase todos os canais repetem o valor anterior, e o compressor não tem o que mandar. Quando caminha, todas as juntas e pistões mudam a cada quadro.

Medido em janelas de 1 s: desligado custa 479 B/s, caminhando 1.511 B/s. O bote é rápido (a ponta da garra chega a 28 m/s), mas dura décimos de segundo e custa menos que a caminhada.

Para dimensionar o enlace de rádio, a conta é pela fase mais cara, não pela média.

bytes por segundo, TUBE v4, blocos de 1 s (59 canais)05001.0001.500desligado479energia706erguer732caminhar1.511espreitar866armar1.213segurar1.044ameaça643recolher873
Tolerância

O quanto cada leitura devolvida pode se afastar da original. É declarada por canal, em unidade de engenharia, e conferida em cada leitura.

Margem de estabilidade

A distância do centro de massa até a borda do polígono dos pés no chão. Negativa quer dizer fora do apoio.

Certificado

Um veredito que continua certo mesmo no pior erro que a compressão permite.

Incerto

Quando o pior erro permitido poderia virar o veredito. O sistema diz que não sabe, em vez de chutar.

Onde isso pode estar errado.

É simulação

A telemetria não tem ruído de sensor. Robô de verdade comprime menos: no TUBE, o IMU de um robô real com ROS2 fica 21 vezes menor, e o braço ALOHA, 37 vezes. Os 31× daqui são o teto, não a promessa.

A estabilidade é estática

A margem usa o centro de massa projetado no chão, sem aceleração. No bote, o robô é dinâmico, e a conta certa seria outra (o ponto de momento zero).

A garantia derivada é de pior caso

O braço de alavanca soma todas as juntas no pior alinhamento. O erro medido nos pés ficou em menos da metade do garantido; uma conta mais fina gastaria menos bytes.

Ao vivo comprime menos

Blocos de 1 s começam do zero a cada segundo. É o preço de não perder mais que um segundo quando um pacote some.

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Conte em duas linhas o que você precisa decidir ou medir. A primeira conversa serve para ver se a medição resolve o seu caso, e, se não resolve, dizemos.

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Fontes