Kemba : un robot quadrupède alliant puissance et contrôle précis

Propulsée par les avancées de la robotique moderne, le développement de robots à marche dynamique et à grande maniabilité est devenu un domaine de recherche de pointe. L’équipe de recherche de l’Université du Cap a présenté un robot quadrupède innovant nommé Kemba. Kemba adopte une conception hybride combinant actionneurs électriques et pneumatiques, démontrant des performances exceptionnelles en termes de comportement dynamique et de contrôle précis.

Conception mécanique et système d’entraînement

La conception mécanique de Kemba met l’accent sur la légèreté et la haute performance. Le robot a une longueur de corps de 0,5 mètre et un poids (hors bras télescopique) d’environ 4,3 kilogrammes. Kemba utilise deux systèmes d’entraînement différents pour les articulations de la hanche et du genou.

Articulation de la hanche

· Système d’entraînement: Équipée de l’actionneur robotique à couple élevé AK70-10 KV100, avec une réduction planétaire à un étage de 10:1.

· Paramètres de performance: Ces moteurs offrent un couple de pointe de 24,8 Nm et une vitesse maximale de 49,7 rad/s, assurant un contrôle de mouvement haute précision et une puissance robuste pour l’articulation de la hanche.

Articulation du genou

· Système d’entraînement: Utilise des vérins pneumatiques double effet standards (Festo DNSU-25-70-PPS-A) de 25 mm de diamètre et une course de 70 mm, générant un couple maximal d’environ 18 Nm au niveau du genou.

· Système de contrôle: Dispose de vannes électromagnétiques 2 voies à commutation rapide, avec un débit nominal de 200 L/min, garantissant une réponse rapide et un contrôle stable des actionneurs pneumatiques.

Kemba est également équipé d’un bras télescopique de 2,5 mètres, limitant le mouvement à trois degrés de liberté et fournissant des informations d’état sur la position, la vitesse et l’accélération pour soutenir un contrôle de mouvement précis.

Contrôle et optimisation

Le système de contrôle de Kemba intègre la dynamique des actionneurs pneumatiques lors de la phase de planification de mouvement de haut niveau afin de générer des trajectoires de mouvement réalisables. Le suivi des trajectoires est assuré par un contrôleur proportionnel-dérivé (PD), combiné avec un couple anticipatif pour les moteurs des articulations de la hanche et des commandes de valve pour les pistons des genoux, garantissant un contrôle efficace du mouvement.

Optimisation des trajectoires

· Outils: Les problèmes d’optimisation ont été résolus à l’aide de la bibliothèque Python Pyomo et du solveur NLP IPOPT. L’ensemble du problème d’optimisation, composé de 8 982 variables, nécessite environ 55 secondes pour être résolu sur un ordinateur portable à double cœur.

· Processus: Les trajectoires optimisées prennent en compte la dynamique globale du robot ainsi que celle des actionneurs individuels, garantissant un mouvement fluide et précis.

Performance exceptionnelle

Kemba a démontré des performances exceptionnelles dans l’exécution de tâches dynamiques complexes. Par exemple, il peut réaliser un saut de 0,5 mètre et un saut maximal de 1 mètre, soit environ 2,2 fois la longueur de sa patte. Même sans retour sur les articulations pneumatiques, Kemba parvient à suivre la trajectoire souhaitée avec une erreur de hauteur de seulement 5 cm. Cette performance valide l’utilité du modèle dans la génération de mouvement de haut niveau ainsi que la robustesse du matériel robotique.

Contribution de l’actionneur robotique de la série CubeMars AK

Le succès de Kemba est en grande partie attribué à son système d’entraînement haute performance, en particulier à l'actionneur robotique de la série CubeMars AK. Grâce à des processus de fabrication précis, ces moteurs limitent le jeu mécanique à moins de 9 minutes d’arc, garantissant une opération stable et des performances de puissance exceptionnelles dans des environnements exigeants. Ce contrôle haute précision est crucial pour Kemba lors de l’exécution d’accélérations rapides et de tâches nécessitant une grande précision.

Conclusion

En tant que réalisation innovante de l’équipe de recherche de l’Université du Cap, Kemba démontre ses performances supérieures en comportement dynamique et en contrôle précis. Sa conception hybride combinant actionneurs électriques et pneumatiques, ainsi que l’application des moteurs CubeMars AK, place Kemba à la pointe de la recherche en technologie robotique. Kemba fournit non seulement une plateforme importante pour les recherches futures en robotique, mais inspire également de nouvelles idées dans la conception de robots quadrupèdes, faisant progresser le domaine.

Grâce au développement et aux tests de Kemba, l’équipe de recherche a montré comment équilibrer puissance et précision dans des applications pratiques, offrant une expérience précieuse et des références techniques. Ce robot quadrupède innovant revêt une grande importance scientifique et offre de larges perspectives pour les applications pratiques futures.