Kemba: Ein vierbeiniger Roboter, der Kraft und präzise Steuerung kombiniert

Die Entwicklung von Robotern mit dynamischer Gangart und hoher Manövrierfähigkeit steht im Mittelpunkt der Forschung, die von der modernen Robotik vorangetrieben wird. Ein Forscherteam der Universität Kapstadt hat mit Kemba einen innovativen vierbeinigen Roboter vorgestellt, der mit einer Hybridkonstruktion aus Elektro- und Pneumatikantrieb ausgestattet ist und sich durch dynamisches Verhalten und präzise Steuerung auszeichnet.

Mechanische Konstruktion und Antriebssysteme

Das mechanische Design von Kemba ist auf Leichtigkeit und hohe Leistung ausgelegt. Seine Körperlänge beträgt 0,5 Meter und sein Gewicht (ohne den Stützarm) etwa 4,3 kg. Der Roboter verwendet zwei verschiedene Antriebssysteme für die Hüft- und Kniegelenke.

Hüfte:

-Antriebssystem: Es werden die drehmomentstarken Quasi-Direktantriebsmotoren der AK-Serie von CubeMars (TMotor AK70-10) mit einstufiger 10:1-Planetengetriebeuntersetzung verwendet.

-Leistungsparameter: Diese Motoren haben ein Spitzenausgangsdrehmoment von 24,8 Nm und eine maximale Geschwindigkeit von 49,7 rad/s, was eine hochpräzise Bewegungssteuerung und eine starke Leistung für das Hüftgelenk gewährleistet.

Knie:

-Antriebssystem: Es wurde ein handelsüblicher doppeltwirkender Pneumatikkolben (Festo DNSU-25-70-PPS-A) mit einem Durchmesser von 25 mm und einem Hub von 70 mm verwendet, der ein Spitzendrehmoment im Knie von etwa 18 Nm erzeugt.

Steuersystem: Schnell schaltendes Zwei-Wege-Magnetventil mit einem Nenndurchfluss von 200 l/min gewährleistet eine schnelle Reaktion und stabile Steuerung des pneumatischen Antriebs.

Kemba ist außerdem mit einem 2,5 Meter langen Tragarm ausgestattet, der die Bewegung in 3 Freiheitsgraden einschränkt und Statusinformationen zu Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung liefert, um eine präzise Bewegungssteuerung zu unterstützen.

Kontrolle und Optimierung

Das Steuerungssystem von Kemba berücksichtigt die Dynamik des pneumatischen Aktuators in der fortgeschrittenen Bewegungsplanungsphase, um machbare Bewegungsbahnen zu erzeugen. Bei der Bahnverfolgung kommt ein Proportional-Differential-Regler (PD) zum Einsatz, der für eine effiziente Bewegungssteuerung mit dem Vorwärtsdrehmoment der Hüftmotoren und den Ventilbefehlen der Kniekolben kombiniert wird.

Optimierung der Flugbahn:

-Verwendung der Python-Bibliothek Pyomo und des NLP-Solvers IPOPT zur Lösung des Optimierungsproblems. Das gesamte Optimierungsproblem enthält 8982 Variablen und benötigt etwa 55 Sekunden zur Lösung auf einem Laptop mit 2 Kernen.

-Die optimierte Trajektorie berücksichtigt nicht nur die Gesamtdynamik des Roboters, sondern auch die Dynamik jedes einzelnen Aktuators, um reibungslose und präzise Bewegungen zu gewährleisten.

überragende Leistung

Kemba beweist seine außergewöhnliche Leistungsfähigkeit bei der Ausführung komplexer dynamischer Aufgaben. So ist er in der Lage, Sprünge von 0,5 Metern und maximal 1 Meter zu machen, was etwa dem 2,2-fachen seiner Beinlänge entspricht. Selbst ohne Rückmeldung an die pneumatischen Gelenke war Kemba in der Lage, die erwartete Flugbahn mit einem Höhenfehler von nur 5 cm zu erreichen. Diese Leistung bestätigt die Nützlichkeit des Modells für die fortgeschrittene Bewegungsgenerierung und die Robustheit der Roboterhardware.

Beitrag der CubeMars-Motoren der AK-Serie

Der Erfolg von Kemba wäre ohne seine Hochleistungsantriebssysteme, insbesondere die Leistungsmodule der AK-Serie von CubeMars, nicht möglich gewesen. Diese Motoren werden mit einem Verfahren hergestellt, das das Umkehrspiel auf 9 Bogenminuten genau steuert und so einen stabilen Betrieb und eine überragende Leistung in einer Vielzahl von schwierigen Umgebungen gewährleistet. Diese hochpräzise Steuerung ist für Kemba entscheidend, wenn es um schnelle Beschleunigung und hochpräzise Aufgaben geht.

zu einem Urteil gelangen

Kemba, eine Innovation des Forschungsteams der Universität Kapstadt, stellt seine herausragenden Eigenschaften in Bezug auf dynamisches Verhalten und Präzisionssteuerung unter Beweis. Sein hybrides elektrisches und pneumatisches Design und die Verwendung der AK-Motoren von CubeMars haben Kemba an die Spitze der Spitzenforschung in der Robotik gebracht. Kemba bietet nicht nur eine wichtige Plattform für die künftige Robotikforschung, sondern bringt auch neue Ideen für das Design von Bewegungsrobotern hervor und bringt das Feld voran.

Durch die Entwicklung und Erprobung von Kemba hat das Forschungsteam gezeigt, wie man Kraft und Präzision in praktischen Anwendungen in Einklang bringen kann, und wertvolle Erfahrungen und technische Referenzen geliefert. Dieser innovative vierbeinige Roboter ist nicht nur für die wissenschaftliche Forschung wichtig, sondern bietet auch große Perspektiven für künftige praktische Anwendungen.