Ce robot à pattes de roue du Harbin Institute of Technology a sorti la version 3.0 ! Démystifier sa conception, ses contrôles et ses tests de performances

Le

DARPA (U.S. Defence Advanced Research Projects Agency) Robot Challenge (DRC) a lieu tous les deux ans et est parrainé par le ministère américain de la Défense. Le concours espère sélectionner des robots capables d'assumer la responsabilité de dangers tels que l'énergie nucléaire de Fukushima. Plante inaccessible aux humains. Robots pour missions de premiers secours sur site.

Lors du DRC DARPA Robot Challenge 2015, le robot DRC-HUBO de Corée du Sud s'est appuyé sur ses "compétences uniques" pour vaincre 22 autres meilleurs robots de 5 pays et a remporté le championnat, dont de nombreux robots développés par Boston Dynamics à l'époque. Des robots vedettes tels que Atlas et Japan HRP.

DRC-HUBO est un robot qui peut à la fois se tenir debout et s'agenouiller

Dans le domaine de la robotique, L'équilibre de marchea toujours été une lacune insurmontable. C'est aussi la clé de la victoire finale de HUBO : Les roues installées sur ses genoux et ses chevilles peuvent permettre au robot de passer du mode marche au mouvement sur roues. L'équipe « KAIST » qui l'a développé a également remporté à l'époque un grand prix de 2 millions de dollars américains.

L'exploration et le sauvetage dans des environnements dangereux sont des applications importantes du mouvement des jambes des robots. Les robots utilisés pour le sauvetage en cas de catastrophe ou l'exploration sur le terrain doivent souvent avoir la capacité de se déplacer rapidement sur des routes plates et de s'adapter à des terrains complexes. Sur la base de ce problème, une équipe du Laboratoire clé d'État de robotique et de systèmes de l'École de génie mécanique et électrique de l'Institut de technologie de Harbin a développé un système de robot autonome à pattes de roue à entraînement hydraulique hautement maniable et hautement adaptable - le robot WLR-3P. Le robot peut se déplacer rapidement et efficacement sur des routes plates et son adaptabilité est excellente dans des environnements de terrain accidenté.

Cette recherche a été publiée sous le titre de l'article (Design and Control for WLR-3P: A Hydraulic Wheel-Legged Robot) dans Cyborg and Bionic Systems, un nouveau numéro du China Science and Technology Journal Excellence Action Plan High Starting Point.

Tampon d'adresse papier → https://spj.science.org/doi/10.34133/cbsystems.0025

▍Dévoilement du mystère du robot WLR-3P

Voyons d'abord à quoi ressemble le WLR-3P :

En tant que

nouveau robot hydraulique à pattes de roue sans tuyau, WLR-3P est capable de sauter et de se déplacer rapidement avec une puissance autonome.

Alors, comment les chercheurs améliorent-ils la

mobilité et l’adaptabilité environnementale des robots ? S'appuyant principalement sur cestrois points : (a) densité de puissance élevée et entraînement à réponse rapide, (b) poids léger, grande inertie et haute résistance, (c) système hydraulique fiable.

La méthode de conception mécanique du WLR-3P peut être réécrite

Composition des composants et dimensions du WLR-3P

Comme le montre l'image ci-dessus, le WLR-3P dispose de 7 degrés de liberté (DOF) : 3 DOF pour chaque jambe et 1 DOF à la taille. Les trois degrés de liberté de la jambe se situent respectivement sur l'articulation de la hanche, l'articulation du genou et la roue motrice. L'articulation de la hanche et l'articulation du genou sont entraînées par HDU, et la roue motrice est entraînée par un moteur à courant continu.

HDU comprend un servo-cylindre personnalisé à réponse haute fréquence (20 Hz), une servovalve haute performance, un capteur de déplacement et un capteur de force. Le WLR-3P pèse 80 kg et est livré avec un HPU et une batterie intégrés. La hauteur maximale est de 1,55 mètre et la distance entre les deux roues est d'environ 0,54 mètre. De plus, pour des raisons de sécurité, le robot « porte » également un cadre en alliage d'aluminium hybride en fibre de carbone de 1,8 kg

Pourquoi choisir l’hydraulique ? Pour le dire simplement et grossièrement,

Un robot utilisant un dispositif d’entraînement hydraulique intégré a une densité de puissance élevée et une réponse d’entraînement rapide.

▍Stratégie avancée de conception et de contrôle du WLR-3P

Les chercheurs ont pris en compte les facteurs suivants : (a) un rapport puissance/poids élevé, (b) une excellente résistance aux chocs, (c) une réponse haute fréquence pour le contrôle force/position et (d) des propriétés biologiques comparables à celles des humains.

La densité de puissance maximale de l'unité d'entraînement hydraulique de l'articulation du genou (HDU) du WLR-3P peut atteindre environ 7 kW/kg, ce qui est beaucoup plus élevé que les moteurs traditionnels. Contenu réécrit : La densité de puissance maximale de l'unité d'entraînement hydraulique du genou (HDU) du WLR-3P est d'environ 7 kW/kg, dépassant de loin celle des moteurs conventionnels

WLR-3P hanche et taille HHJ

La miniaturisation et l'intégration des groupes hydrauliques (HPU) sont les principales difficultés dans le domaine de la recherche sur les robots hydrauliques, principalement dues à la miniaturisation des pompes et des moteurs ainsi que du chauffage des systèmes. Étant donné que le WLR-3P ne dispose pas d'un grand espace d'installation HPU. Le personnel de R&D a proposé une idée de conception innovante pour réaliser la miniaturisation et l'intégration du HPU.

Tout d'abord, la pompe à engrenages est entraînée par un moteur à rotor externe sur mesure via un micro-accouplement. L'huile haute pression de la pompe passe à travers un micro-accumulateur et un filtre pour fournir la puissance hydraulique requise par le système. Deuxièmement, afin de résoudre le problème de chauffage du système, un réservoir de carburant multifonctionnel intégrant dissipation thermique, filtration et stabilisation de tension a été conçu. Enfin, le HPU peut produire de la puissance hydraulique avec une pression maximale de 21 MPa et un débit de 20 l/min.

Le schéma hydraulique du système hydraulique doit être complet

La figure ci-dessous montre la structure et la composition du HPU.

La miniaturisation et l'intégration du HPU libèrent le robot des limitations des tuyaux en caoutchouc, rendant le mouvement du robot plus « soyeux ».

La structure et la composition du HPU sont également le bassin du WLR-3P

De plus, l'équipe R&D a également proposé

un système de contrôle comprenant un système électrique distribué hiérarchique et une stratégie de contrôle :

Ce qui doit être réécrit, c'est : le système électronique du WLR-3P

Cadre de contrôle WLR-3P

Le contenu qui doit être réécrit est : ▍Test d'équilibre et de puissance explosive du WLR-3P

Les chercheurs ont mené des tests autour de

performances équilibrées et puissance explosive. Mouvements rapides et accroupis sont les actions les plus élémentaires pour vérifier les performances d'équilibre du robot à roues. Lors d'un déplacement rapide, le centre de masse (COM) du robot change rapidement dans le sens horizontal, tandis qu'en s'accroupissant, le COM change rapidement dans le sens vertical.

Test mobile rapide

Instantanés de squat COM dans la plage de hauteur de 0,35 et 0,65 m

Le test montre que les capacités d'équilibrage horizontal et vertical du WLR-3P sont correctes, ce qui vérifie également la fiabilité du système matériel du robot.

WLR-3P peut effectuer le décollage, le vol et l'atterrissage en 0,5 seconde

Les résultats expérimentaux montrent que le robot WLR-3P peut atteindre une vitesse de 13,6 km/h et une hauteur de saut de 0,2 m. L'entraînement hydraulique et les réglages structurels du robot sont entièrement certifiés.

Les chercheurs ont résumé leur expérience expérimentale et ont découvert que

plus le poids du robot est léger et plus la puissance explosive du système d'entraînement est forte, plus le robot peut sauter haut. En particulier, plus la proportion du poids des jambes par rapport au poids du corps est faible, plus la force de sortie instantanée et la vitesse de l'articulation du genou sont élevées, ce qui aura un impact plus significatif sur les performances de saut du robot.

Le contenu à réécrire est : ▍Les deux "frères" du WLR-3P

L'équipe a déclaré que même s'il existe encore un certain écart entre les performances réelles et les performances théoriques de conception, cela ouvre également la voie aux travaux futurs

En 2017, l'équipe a développé le premier robot hydraulique à pattes de roue WLR-I et a vérifié avec succès sa conception intégrée et ses capacités de mouvement composé. Puis, en 2018, le robot à pattes de roue WLR-II de deuxième génération est sorti, réalisant pour la première fois une conception sans tuyau et démontrant une adaptabilité inattendue au terrain

Deux frères effectuent des tests conjoints d'exercices et de mouvement de la neige

Comme le montre l'image ci-dessus, les deux premières générations de robots ont effectivement prouvé leur adaptabilité aux terrains complexes et leur maniabilité sur terrain plat, mais ils sont tous alimentés par des stations de pompage externes. Cette fois, le WLR-3P a apporté des améliorations substantielles basées sur la conception des deux premières générations de robots à pattes de roue. Non seulement améliore la capacité athlétique, mais atteint également l'autonomie de puissance.

Ensuite, l'équipe doit également réfléchir à la manière de faire correspondre la puissance de sortie du HPU et la puissance requise par le HDU. Concernant les exigences en matière de puissance motrice et de mouvement du robot, des problèmes d'ingénierie tels que la dissipation thermique et le bruit doivent être pris en compte. Plus important encore, la miniaturisation et la personnalisation des composants hydrauliques constituent également l’une des futures orientations de recherche.

Je dois dire que l'efficacité est trop élevée. Alors sans plus tarder, accroupissez-vous et attendez le quatrième frère WLR.

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