Kemba：融合した動力と精密制御の四足ロボット

現代ロボット技術の推進により、動的な歩行と高い機動性を持つロボットの開発が研究の最前線となっています。ケープタウン大学の研究チームは、革新的な四足ロボット「Kemba」を発表しました。Kembaは、ハイブリッド電動および空気圧の設計を採用し、動的な行動と精密な制御において卓越した性能を示しています。

機械設計と駆動システム

Kembaの機械設計は軽量化と高性能に重点を置いています。機体の長さは0.5メートルで、重量（支持アームを除く）は約 4.3キログラムです。ロボットは、股関節と膝関節にそれぞれ異なる2つの駆動システムを採用しています。

股関節：

·駆動システム：CubeMarsのAKシリーズ高トルク準直接駆動モーター（TMotor AK70-10）を採用し、単段 10:1の惑星ギア減速装置を備えています。

·性能パラメータ：これらのモーターのピーク出力トルクは24.8Nm、最大速度は49.7 rad/sであり、股関節の高精度な運動制御と強力な動力を確保しています。

膝関節：

·駆動システム：市販の二重作用空気シリンダー（Festo DNSU-25-70-PPS-A）を使用し、直径 25mm、ストローク70mmで、生成される膝関節のピークトルクは約 18Nmです。

·制御システム：迅速切り替え可能な二通電磁弁、定格流量は200L/minで、空気駆動装置の迅速な応答と安定した制御を保証します。

ケンバは、3つの自由度の動きを制限し、位置、速度、加速度の状態情報を提供する2.5メートルのサポートアームを備えており、精密な運動制御をサポートします。

制御と最適化

Kembaの制御システムは、高度な運動計画段階で空気駆動装置の力学を組み合わせて、実行可能な運動軌道を生成します。軌道追従には比例-微分（PD）コントローラーが使用され、股関節モーターのフィードフォワードトルクと膝関節ピストンのバルブコマンドと組み合わせることで、高効率の運動制御を実現しています。

軌跡最適化：

·PythonライブラリPyomoとNLPソルバーIPOPTを使用して最適化問題を解決します。全体の最適化問題には8982の変数が含まれており、2コアのノートパソコンで約 55 秒で解決されます。

最適化された軌跡は、ロボット全体の動力学だけでなく、各ドライバーの動力学特性にも細かく配慮されており、動作の滑らかさと精度が確保されています。

卓越した性能

Kembaは、複雑な動的タスクを実行する際の卓越した性能を示しました。例えば、0.5メートルのジャンプと最大 1メートルのジャンプを実現でき、これはその脚の長さの約 2.2 倍に相当します。気動関節にフィードバックがない状態でも、Kembaは期待される軌道に一致し、高さの誤差はわずか5センチメートルです。この成果は、高度な運動生成におけるモデルの実用性と、ロボットハードウェアの強力な能力を証明しています。

CubeMars AKシリーズモーターの貢献

Kembaの成功は、その高性能駆動システム、特にCubeMarsのAKシリーズ動力モジュールに欠かせません。これらのモーターは製造工程においてバックラッシュを9アーク分以内に抑え、さまざまな挑戦的な環境下での安定した動作と卓越した動力性能を保証しています。この高精度の制御は、Kembaが迅速な加速や高精度なタスクを実行する際に非常に重要です。

結論

Kembaはケープタウン大学の研究チームの革新的な成果として、動的な行動と精密な制御における卓越した性能を示しています。ハイブリッド電動および空気圧の設計、さらにCubeMars AKシリーズのモーターの応用により、Kembaはロボティクスの最前線の研究において重要な地位を占めています。Kembaは未来のロボット研究に重要なプラットフォームを提供するだけでなく、運動ロボット設計の新しいアイデアを啓発し、この分野の発展を促進しています。

Kembaの開発とテストを通じて、研究チームは実際の応用において動力と精度をどのようにバランスさせるかを示し、貴重な経験と技術的参考を提供しました。この革新的な四足ロボットは、研究において重要な意義を持つだけでなく、将来の実際の応用に広範な展望を提供します。