Kemba: un robot cuadrúpedo que combina potencia y control preciso

Impulsado por los avances de la robótica moderna, el desarrollo de robots con marcha dinámica y alta maniobrabilidad se ha convertido en un área de investigación de vanguardia. El equipo de investigación de la Universidad de Ciudad del Cabo ha presentado un robot cuadrúpedo innovador llamado Kemba. Kemba adopta un diseño híbrido de actuadores eléctricos y neumáticos, demostrando un rendimiento excepcional en comportamiento dinámico y control preciso.

Diseño mecánico y sistema de propulsión

El diseño mecánico de Kemba enfatiza la ligereza y el alto rendimiento. El robot tiene una longitud de cuerpo de 0,5 metros y un peso (excluyendo el brazo telescópico) de aproximadamente 4,3 kilogramos. Kemba utiliza dos sistemas de propulsión diferentes para las articulaciones de la cadera y la rodilla.

Articulación de la cadera

· Sistema de propulsión: Equipado con el actuador robótico de alto par CubeMars AK70-10 KV100, con una reducción planetaria de una etapa de 10:1.

· Parámetros de rendimiento: Estos motores tienen un par máximo de 24,8 Nm y una velocidad máxima de 49,7 rad/s, asegurando un control de movimiento de alta precisión y potencia robusta para la articulación de la cadera.

Articulación de la rodilla

· Sistema de propulsión: Utiliza cilindros neumáticos de doble efecto estándar (Festo DNSU-25-70-PPS-A) de 25 mm de diámetro y 70 mm de carrera, generando un par máximo de aproximadamente 18 Nm en la rodilla.

· Sistema de control: Válvulas solenoides de 2 vías de conmutación rápida con flujo nominal de 200 L/min, asegurando respuesta rápida y control estable de los actuadores neumáticos.

Kemba también está equipado con un brazo telescópico de 2,5 metros, limitando el movimiento a tres grados de libertad y proporcionando información sobre posición, velocidad y aceleración para apoyar un control de movimiento preciso.

Control y optimización

El sistema de control de Kemba integra la dinámica de los actuadores neumáticos en la etapa de planificación de movimiento de alto nivel para generar trayectorias de movimiento factibles. El seguimiento de la trayectoria se logra mediante un controlador proporcional-derivado (PD), combinado con torque anticipado para los motores de la articulación de la cadera y comandos de válvula para los pistones de la rodilla, asegurando un control de movimiento eficiente.

Optimización de trayectorias

· Herramientas:  Los problemas de optimización se resolvieron utilizando la biblioteca Python Pyomo y el solucionador NLP IPOPT. Todo el problema de optimización, compuesto por 8.982 variables, tarda aproximadamente 55 segundos en resolverse en un portátil de doble núcleo.

· Proceso: Las trayectorias optimizadas consideran la dinámica general del robot así como la dinámica de los actuadores individuales, garantizando un movimiento suave y preciso.

Rendimiento excepcional

Kemba ha demostrado un rendimiento excepcional al ejecutar tareas dinámicas complejas. Por ejemplo, puede realizar un salto de 0,5 metros y un salto máximo de 1 metro, aproximadamente 2,2 veces la longitud de su pierna. Incluso sin retroalimentación en las articulaciones neumáticas, Kemba puede seguir la trayectoria deseada con un error de altura de solo 5 cm. Este rendimiento valida la utilidad del modelo en la generación de movimiento de alto nivel y la robustez del hardware del robot.

Contribución del actuador robótico de la serie CubeMars AK

El éxito de Kemba se atribuye significativamente a su sistema de propulsión de alto rendimiento, particularmente al actuador robótico de la serie CubeMars AK. Estos motores, mediante procesos de fabricación precisos, controlan el juego mecánico dentro de los 9 minutos de arco, asegurando un funcionamiento estable y un rendimiento de potencia excepcional en entornos desafiantes. Este control de alta precisión es crucial para Kemba al ejecutar aceleraciones rápidas y tareas de alta precisión.

Conclusión

Como logro innovador del equipo de investigación de la Universidad de Ciudad del Cabo, Kemba demuestra su superior rendimiento en comportamiento dinámico y control preciso. Su diseño híbrido de actuadores eléctricos y neumáticos, junto con la aplicación de los motores CubeMars AK, coloca a Kemba a la vanguardia de la investigación en tecnología robótica. Kemba no solo proporciona una plataforma importante para la investigación futura en robótica, sino que también inspira nuevas ideas en el diseño de robots cuadrúpedos, impulsando el avance del campo.

A través del desarrollo y las pruebas de Kemba, el equipo de investigación ha demostrado cómo equilibrar potencia y precisión en aplicaciones prácticas, ofreciendo valiosa experiencia y referencias técnicas. Este innovador robot cuadrúpedo tiene una gran importancia científica y ofrece amplias perspectivas para futuras aplicaciones prácticas.