Kemba: 동력과 정밀 제어를 겸비한 4족 로봇

현대 로봇공학의 발전에 힘입어, 동적 보행 및 높은 기동성을 갖춘 로봇 개발은 연구의 최전선이 되었습니다. 케이프타운 대학교 연구팀은 혁신적인 4족 보행 로봇 Kemba를 선보였습니다. Kemba는 전기 및 공압 액추에이터를 혼합한 하이브리드 설계를 채택하여, 동적 성능과 정밀 제어에서 뛰어난 성능을 보여줍니다.

기계 설계 및 구동 시스템

Kemba의 기계 설계는 경량화와 고성능에 중점을 두고 있습니다. 로봇의 본체 길이는 0.5미터, 붐 암을 제외한 무게는 약 4.3kg입니다. Kemba는 고관절과 무릎 관절에 서로 다른 구동 시스템을 사용합니다.

고관절

· 구동 시스템: CubeMars의 고토크 로봇 액추에이터 AK70-10 KV100 장착, 단일 단계 10:1 행성 기어 감속 포함.

· 성능 파라미터: 최대 출력 토크 24.8 Nm, 최고 속도 49.7 rad/s로 고관절의 정밀한 동작 제어와 강력한 동력 제공

무릎 관절

· 구동 시스템: 직경 25mm, 스트로크 70mm의 표준 이중 작용 공압 실린더(Festo DNSU-25-70-PPS-A) 사용, 무릎 관절에서 최대 토크 약 18 Nm 발생

· 제어 시스템: 유량 200 L/min 규격의 고속 2방향 솔레노이드 밸브 탑재, 공압 액추에이터의 빠른 응답 및 안정적 제어 보장

Kemba는 또한 길이 2.5m 붐 암을 장착하여, 3자유도만 허용하며 위치, 속도, 가속도 정보를 제공하여 정밀 동작 제어를 지원합니다.

제어 및 최적화

Kemba의 제어 시스템은 상위 수준의 동작 계획 단계에서 공압 액추에이터의 동역학을 통합하여 실행 가능한 동작 궤적을 생성합니다. 궤적 추적은 비례-미분(PD) 제어기를 사용하며, 고관절 모터에는 피드포워드 토크, 무릎 실린더에는 밸브 명령을 결합하여 효율적인 동작 제어를 보장합니다.

궤적 최적화

· 도구: 최적화 문제는 Python 라이브러리 Pyomo와 NLP 솔버 IPOPT를 사용하여 해결했습니다. 8,982개의 변수로 구성된 전체 최적화 문제는 듀얼 코어 노트북에서 약 55초 정도 소요됩니다.

· 프로세스: 최적화된 궤적은 로봇 전체 동역학과 개별 액추에이터 동역학을 모두 고려하여 부드럽고 정확한 동작을 보장합니다.

뛰어난 성능

Kemba는 복잡한 동적 과제를 수행하는 데 뛰어난 성능을 보여주었습니다. 예를 들어, 0.5미터 점프와 최대 1미터 점프를 수행할 수 있으며, 이는 다리 길이의 약 2.2배에 해당합니다. 공압 관절의 피드백 없이도 Kemba는 원하는 궤적을 높이 오차 단 5cm로 맞출 수 있습니다. 이러한 성능은 상위 수준 동작 생성에서 모델의 유용성과 로봇 하드웨어의 강인성을 입증합니다.

CubeMars AK 시리즈 로봇 액추에이터의 기여

Kemba의 성공은 고성능 구동 시스템, 특히 CubeMars AK 시리즈 로봇 액추에이터 덕분입니다. 정밀한 제조 공정을 통해 이 모터들은 백래시를 9 아크분 이하로 제어하여, 까다로운 환경에서도 안정적인 동작과 뛰어난 동력 성능을 보장합니다. 이러한 고정밀 제어는 Kemba가 빠른 가속과 정밀 작업을 수행할 때 매우 중요합니다.

결론

케이프타운 대학교 연구팀의 혁신적 성과인 Kemba는 우수한 동적 성능과 정밀 제어를 보여줍니다. 전기 및 공압 액추에이터의 하이브리드 설계와 CubeMars AK 시리즈 모터의 적용으로 Kemba는 로봇 기술 연구의 최첨단에 위치합니다. Kemba는 미래 로봇공학 연구를 위한 중요한 플랫폼을 제공할 뿐만 아니라, 다족 로봇 설계에 새로운 아이디어를 제공하여 분야 발전에 기여합니다.

Kemba 개발과 테스트를 통해 연구팀은 실제 응용에서 동력과 정밀도의 균형을 맞추는 방법을 입증했으며, 귀중한 경험과 기술적 참고자료를 제공합니다. 이 혁신적인 4족 로봇은 과학적 연구에서 큰 의미를 가지며, 미래 실제 응용 분야에서도 넓은 가능성을 제시합니다.