Kemba: четвероногий робот, сочетающий в себе мощь и точность управления

Разработка роботов с динамичной походкой и высокой маневренностью находится на переднем крае исследований, определяемых современной робототехникой. Команда исследователей из Кейптаунского университета представила инновационного четвероногого робота Kemba. Kemba использует гибридную электрическую и пневматическую конструкцию, которая демонстрирует превосходное динамическое поведение и точность управления.

Механическая конструкция и приводные системы

Механическая конструкция Kemba ориентирована на легкость и высокую производительность. Длина его тела составляет 0,5 метра, а вес (без учета опорной руки) - около 4,3 кг. Робот использует две различные системы привода для тазобедренного и коленного суставов.

Бедро:

-Приводная система: используются высокомоментные квазипрямоходные двигатели CubeMars серии AK (TMotor AK70-10) с одноступенчатой планетарной редукцией 10:1.

-Характеристики: эти двигатели имеют пиковый выходной крутящий момент 24,8 Нм и максимальную скорость 49,7 рад/с, обеспечивая высокоточное управление движением и мощную силу для тазобедренного сустава.

Колено:

-Приводная система: Использовался готовый пневматический поршень двойного действия (Festo DNSU-25-70-PPS-A) диаметром 25 мм и ходом 70 мм, создающий пиковый крутящий момент в колене около 18 Нм.

-Система управления: Быстро переключаемый двухходовой электромагнитный клапан с номинальным расходом 200 л/мин обеспечивает быстрый отклик и стабильное управление пневматическим приводом.

Kemba также оснащен опорным рычагом длиной 2,5 метра, который ограничивает движение по 3 степеням свободы и предоставляет информацию о положении, скорости и ускорении для поддержки точного управления движением.

Контроль и оптимизация

Система управления Kemba учитывает динамику пневматического привода на этапе предварительного планирования движения для создания целесообразных траекторий движения. Для отслеживания траектории используется пропорционально-дифференциальный (PD) контроллер, который сочетается с передачей крутящего момента от двигателей бедра и командами клапанов от коленных поршней для эффективного управления движением.

Оптимизация траектории:

-Используем библиотеку Python Pyomo и NLP-решатель IPOPT для решения оптимизационной задачи. Вся оптимизационная задача содержит 8982 переменные и занимает около 55 секунд на 2-ядерном ноутбуке.

-Оптимизированная траектория учитывает не только общую динамику робота, но и динамику каждого исполнительного механизма, обеспечивая плавность и точность движений.

превосходная производительность

Кемба демонстрирует свою исключительную производительность при выполнении сложных динамических задач. Например, он способен совершать прыжки на 0,5 метра и максимум на 1 метр, что соответствует примерно 2,2-кратному увеличению длины его ноги. Даже без обратной связи с пневматическими суставами Kemba смог соответствовать ожидаемой траектории с ошибкой высоты всего в 5 см. Такие результаты подтверждают полезность модели для создания усовершенствованных движений и надежность аппаратного обеспечения робота.

Вклад двигателей CubeMars серии AK

Успех компании Kemba был бы невозможен без ее высокопроизводительных систем привода, особенно силовых модулей серии AK от CubeMars. Эти двигатели производятся по технологии, которая позволяет контролировать люфт с точностью до 9 угловых минут, обеспечивая стабильную работу и превосходные характеристики мощности в различных сложных условиях. Такой высокоточный контроль очень важен для компании Kemba при выполнении задач с быстрым ускорением и высокой точностью.

вынести вердикт

Kemba, инновационная разработка исследовательской группы Кейптаунского университета, демонстрирует превосходные динамические характеристики и точность управления. Его гибридная электрическая и пневматическая конструкция и использование двигателей серии CubeMars AK позволили Kemba оказаться в авангарде передовых исследований в области робототехники. Kemba не только служит важной платформой для будущих исследований в области робототехники, но и открывает новые идеи в проектировании роботов-двигателей, развивая эту область.

Разрабатывая и тестируя Kemba, исследовательская группа продемонстрировала, как сбалансировать мощность и точность в практическом применении, предоставив ценный опыт и технические рекомендации. Этот инновационный четвероногий робот не только важен для научных исследований, но и открывает большие перспективы для будущего практического применения.