ハルビン工業大学のこの車輪脚ロボットがバージョン 3.0 をリリースしました。設計、制御、性能テストをわかりやすく解説

DARPA (米国国防高等研究計画局) ロボット チャレンジ (DRC) 米国国防総省が後援し、2 年ごとに開催されるこのコンテストは、人間にはできないタスクを実行できるロボットを選出することを目的としています。福島原子力発電所で、危険が迫った際に現場で応急処置を行うロボット。

2015 年の DRC DARPA ロボット チャレンジでは、韓国のロボット DRC-HUBO がその「ユニークなスキル」に頼って、5 か国の他のトップ ロボット 22 台を破り、 優勝しました。当時ボストンダイナミクス社が開発したアトラスや日本のHRPなどの多くのスターロボット。

DRC-HUBO は立つこともひざまずくこともできるロボットです

ロボット工学の分野では、

歩行バランスは常に克服できないギャップでした。これは HUBO の最終勝利の鍵でもあります。膝と足首に取り付けられた車輪により、ロボットは歩行モードから車輪移動に切り替えることができます。 これを開発した「KAIST」チームも、当時200万ドルの大賞を獲得しました。

危険な環境での探索と救助は、ロボットの脚動作の重要な用途です。災害救助や現場探索に使用されるロボットは、多くの場合、平坦な道路で迅速に移動し、複雑な地形に適応する能力が求められます。この問題に基づいて、ハルビン工業大学機械電気工学院ロボット工学システム国家重点研究所のチームは、機動性と適応性の高い油圧駆動の自律車輪脚ロボット システムである WLR-3P ロボットを開発しました。このロボットは、平坦な道路では迅速かつ効率的に移動でき、険しい地形環境でも優れた適応性を備えています。

この研究は、中国科学技術ジャーナルの新刊「Cyborg and Bionic Systems」に論文 (WLR-3P の設計と制御: 油圧車輪脚ロボットの設計と制御) というタイトルで掲載されました。 Excellence Action Plan High startingポイント。

紙の住所スタンプ→https://spj.science.org/doi/10.34133/cbsystems.0025

▍WLR-3P ロボットの謎を明らかにしましょう

まず、WLR-3P がどのようなものかを見てみましょう:

WLR-3P

は、

新型ホースレス油圧車輪脚ロボットとして、自律力でジャンプして素早く移動することができます。 それでは、研究者はどのようにしてロボットの 操縦性と環境適応性を向上させているのでしょうか?

(a) 高出力密度と高速応答駆動、(b) 軽量、大慣性、高強度、(c) 信頼性の高い油圧システム。

WLR-3Pの機構設計手法を書き換えることが可能

WLR-3Pの部品構成と寸法

上に示すように、WLR-3P には 7 自由度 (DOF) があります。各脚に 3 DOF、腰に 1 DOF です。脚の 3 自由度はそれぞれ股関節、膝関節、駆動輪にあり、股関節と膝関節は HDU、駆動輪は DC モーターで駆動されます。

HDU には、カスタマイズされた高周波応答 (20Hz) サーボ シリンダー、高性能サーボ バルブ、変位センサー、力センサーが含まれています。 WLR-3P の重量は 80 kg で、オンボード HPU とバッテリーが付属しています。最大高さは 1.55 メートル、2 つの車輪間の距離は約 0.54 メートルです。さらに、安全上の理由から、ロボットは 1.8 kg のカーボンファイバーハイブリッドアルミニウム合金フレームを「運搬」します。

なぜ油圧式を選ぶのですか?簡単かつ乱暴に言うと、統合油圧駆動装置を使用した

ロボットは、出力密度が高く、駆動応答が速いということです。

▍WLR-3Pの高度な設計と制御戦略

研究者らは、次の要素を考慮しました: (a) 高い出力対重量比、(b) 優れた耐衝撃性、(c) 力/位置制御のための高周波応答、および (d) 動物に匹敵する生物学的特性人間。

WLR-3P の膝関節油圧駆動ユニット (HDU) の最大出力密度は約 7kW/kg に達する可能性があり、これは従来のモーターよりもはるかに高くなります。 書き換え内容: WLR-3P の膝油圧ドライブユニット (HDU) の最大出力密度は約 7 kW/kg で、従来のモーターを大幅に上回ります

WLR-3PのヒップとウエストHHJ

油圧パワーユニット(HPU)の小型化と統合は、油圧ロボット研究分野における主な困難であり、主にポンプとエンジンの小型化、およびシステムの加熱が原因です。 WLR-3P には大きな HPU 設置スペースがありません。研究開発担当者は、HPU の小型化と統合を実現するための革新的な設計アイデアを提案しました。

まず、ギアポンプは、マイクロカップリングを介して特注のアウターローターモーターによって駆動されます。ポンプからの高圧オイルはマイクロ アキュムレータとフィルターを通過し、システムに必要な油圧力を供給します。次に、システムの発熱問題を解決するために、放熱、濾過、電圧安定化を統合した多機能燃料タンクを設計しました。最後に、HPU は最大圧力 21 MPa、流量 20 l/min の油圧を出力できます。

油圧システムの油圧回路図を完成させる必要があります

次の図は、HPU の構造と構成を示しています。 HPUの小型化と一体化により、ロボットはゴムホースの制約から解放され、ロボットの動きがより「滑らか」になります。

HPUの構造と構成はWLR-3Pの骨盤でもあります

さらに、研究開発チームは、階層型分散型電気システムと制御戦略を含む制御システム も提案しました:

書き換えが必要な内容はWLR-3Pの電子システムです

WLR-3P 制御フレームワーク

書き換えが必要な内容は、 ▍WLR-3Pのバランスと爆発力のテスト

です。

研究者らは、バランスのとれたパフォーマンスと爆発力を中心にテストを実施しました。 素早い動きとしゃがむは、車輪脚ロボットのバランス性能を検証するための最も基本的な動作です。素早く移動すると、ロボットの重心 (COM) は水平方向に急速に変化し、しゃがむと COM は垂直方向に急速に変化します。

クイックモバイルテスト

COM 高さ 0.35 ～ 0.65 m の範囲でのスクワットのスナップショット

このテストでは、WLR-3P の水平および垂直バランス機能に問題がないことが示され、ロボット ハードウェア システムの信頼性も検証されます。

WLR-3P は離陸、飛行、着陸のプロセスを 0.5 秒で完了できます

実験結果は、ロボット WLR-3P が時速 13.6 km、ジャンプ高さ 0.2 m に達することができることを示しています。油圧ドライブとロボットの構造設定は完全に認定されています。

研究者らは実験経験を要約し、ロボットの重量が軽く、駆動システムの爆発力が強いほど、ロボットはより高くジャンプできることがわかりました。特に、体重に対する脚の重量の割合が小さいほど、膝関節の瞬間的な出力と速度が大きくなり、ロボットのジャンプ性能に大きな影響を与えます。

書き直す必要がある内容は次のとおりです: ▍WLR-3P の 2 人の「兄弟」

チームは、実際のパフォーマンスと理論上の設計パフォーマンスの間にはまだ一定のギャップがあるものの、これは今後の研究の方向性も示していると述べています。

2017 年、チームは初の油圧車輪脚ロボット WLR-I を開発し、その統合設計と複合運動機能の検証に成功しました。そして2018年、初のホースレス化を実現し、予想外の地形適応力を発揮した第2世代車輪脚ロボットWLR-Ⅱが登場しました。

2人の兄弟は共同運動と雪上移動テストを実施中

上の写真に示されているように、最初の 2 世代のロボットは、地上での複雑な地形への適応性と操縦性を実際に検証しましたが、それらはすべて外部のポンプ場によって動力を供給されています。今回のWLR-3Pは、最初の2世代の車輪脚ロボットの設計に基づいて大幅な改良を加えました。運動能力を向上させるだけでなく、パワーの自律性も実現します。

次に、チームは、HPU の出力電力と HDU に必要な電力を一致させる方法も検討する必要があります。駆動力やロボットの動作に対する要求については、放熱や騒音などの工学的な問題も考慮する必要があります。さらに重要なことに、油圧コンポーネントの小型化とカスタマイズも将来の研究方向の 1 つです。

効率が高すぎると言わざるを得ません。それなら、くだらない話をやめて、4番目の兄弟のWLRを待ちます。

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