하얼빈공업대학의 바퀴 달린 로봇이 버전 3.0을 출시했습니다! 설계, 제어 및 성능 테스트 이해하기

DARPA(미국 국방고등연구계획국) 로봇 챌린지(DRC)는 2년마다 개최되며 미국 국방부의 후원을 받아 후쿠시마 원전과 같은 위험을 책임질 수 있는 로봇을 선발하고자 합니다. 인간이 접근할 수 없는 현장 응급처치 임무를 위한 로봇.

2015 DRC DARPA 로봇 챌린지에서 한국의 로봇 DRC-HUBO는 자신의 "독특한 기술"을 활용하여 5개국의 다른 상위 로봇 22개를 물리치고 우승을 차지했으며, 당시 Boston Dynamics에서 개발한 많은 로봇도 포함됩니다. 아틀라스, 일본 HRP 등 스타 로봇.

DRC-HUBO는 서기도 하고 무릎을 꿇기도 하는 로봇입니다

로봇 분야에서 걷는 균형은 늘 극복할 수 없는 격차였습니다. 이것이 HUBO의 최종 승리의 열쇠이기도 합니다. 무릎과 발목에 바퀴를 장착해 로봇이 보행 모드에서 바퀴 운동으로 전환할 수 있습니다. 이를 개발한 'KAIST' 팀도 당시 대상 200만 달러를 수상했습니다.

위험한 환경에서의 탐색 및 구조는 로봇 다리 동작의 중요한 응용 분야입니다. 재난 구조나 현장 탐색에 사용되는 로봇은 평탄한 도로에서 빠르게 이동하고 복잡한 지형에 적응하는 능력이 요구되는 경우가 많습니다. 이 문제를 기반으로 하얼빈 공과대학교 기계 전기 공학부 로봇 시스템 국가 핵심 연구소 팀은 기동성이 뛰어나고 적응력이 뛰어난 유압 구동식 자율 바퀴 달린 로봇 시스템인 WLR-3P 로봇을 개발했습니다. 로봇은 평탄한 도로에서도 빠르고 효율적으로 이동할 수 있으며, 험난한 지형 환경에서도 적응성이 뛰어납니다.

본 연구는 중국 과학 기술 저널 Excellence Action Plan High Starting Point 최신호인 Cyborg and Bionic Systems에 논문(WLR-3P에 대한 설계 및 제어: 유압식 바퀴 다리 로봇)이라는 제목으로 게재되었습니다.

종이 주소 스탬프 → https://spj.science.org/doi/10.34133/cbsystems.0025

▍WLR-3P 로봇의 비밀을 밝히다

먼저 WLR-3P의 모습을 살펴보겠습니다.

새로운

호스리스 유압 바퀴다리형 로봇인 WLR-3P는 자율적인 힘으로 빠르게 점프하고 이동할 수 있습니다.

그렇다면 연구자들은 로봇의

이동성과 환경 적응성을 어떻게 향상시킬 수 있을까요? 주로 다음 세 가지 사항에 의존합니다. (a) 높은 출력 밀도 및 빠른 응답 구동, (b) 가벼운 무게, 큰 관성 및 높은 강도, (c) 안정적인 유압 시스템.

WLR-3P의 기계 설계 방식을 다시 작성할 수 있습니다

WLR-3P의 구성품 구성 및 치수

위 그림과 같이 WLR-3P는 7개의 자유도(DOF)를 갖고 있습니다. 즉, 각 다리에 3자유도, 허리 부분에 1자유도가 있습니다. 다리의 3자유도는 각각 고관절, 무릎관절, 구동바퀴에 있으며, 고관절과 무릎관절은 HDU로 구동되고, 구동바퀴는 DC모터로 구동된다.

HDU에는 맞춤형 고주파 응답(20Hz) 서보 실린더, 고성능 서보 밸브, 변위 센서 및 힘 센서가 포함되어 있습니다. WLR-3P의 무게는 80kg이며 온보드 HPU와 배터리가 함께 제공됩니다. 최대 높이는 1.55m, 두 바퀴 사이의 거리는 약 0.54m이다. 또한, 안전상의 이유로 로봇은 1.8kg의 탄소섬유 하이브리드 알루미늄 합금 프레임도 "운반"합니다

유압을 선택하는 이유는 무엇인가요? 간단하게 말하면

통합 유압 구동 장치를 사용하는 로봇은 높은 출력 밀도와 빠른 구동 응답성을 갖습니다.

▍WLR-3P의 앞선 설계와 제어 전략

연구원들은 다음 요소를 고려했습니다: (a) 높은 중량 대비 출력 비율, (b) 뛰어난 충격 저항성, (c) 힘/위치 제어를 위한 고주파 반응, (d) 인간과 유사한 생물학적 특성.

WLR-3P의 무릎 관절 유압 구동 장치(HDU)의 최대 출력 밀도는 약 7kW/kg에 달할 수 있으며 이는 기존 모터보다 훨씬 높습니다. 재작성된 내용: WLR-3P에 있는 무릎 유압 구동 장치(HDU)의 최대 출력 밀도는 약 7kW/kg으로 기존 모터의 출력 밀도를 훨씬 초과합니다

WLR-3P 힙과 허리 HHJ

유압 동력 장치(HPU)의 소형화 및 통합은 주로 펌프 및 엔진의 소형화와 시스템 가열로 인해 유압 로봇 연구 분야의 주요 어려움입니다. WLR-3P는 HPU 설치 공간이 넓지 않기 때문입니다. R&D 인력은 HPU의 소형화 및 통합을 달성하기 위한 혁신적인 설계 아이디어를 제안했습니다.

먼저 기어 펌프는 마이크로 커플링을 통해 맞춤형 외부 로터 모터로 구동됩니다. 펌프의 고압 오일은 마이크로 어큐뮬레이터와 필터를 통과하여 시스템에 필요한 유압 동력을 제공합니다. 둘째, 시스템의 발열 문제를 해결하기 위해 방열, 여과 및 전압 안정화를 통합한 다기능 연료 탱크를 설계했습니다. 마지막으로 HPU는 최대 압력 21 MPa, 유속 20 l/min으로 유압 출력을 출력할 수 있습니다.

유압 시스템의 유압 회로도가 완성되어야 합니다

아래 그림은 HPU의 구조와 구성을 보여줍니다.

HPU의 소형화 및 통합으로 로봇이 고무 호스의 한계에서 벗어나 로봇의 움직임이 더욱 "부드러워"집니다.

HPU의 구조와 구성은 WLR-3P의 골반이기도 합니다

또한 R&D 팀은

계층적 분산 전기 시스템과 제어 전략을 포함한 제어 시스템도 제안했습니다.

다시 작성해야 할 것은: WLR-3P의 전자 시스템

WLR-3P 제어 프레임워크

다시 작성해야 하는 내용은 다음과 같습니다. ▍WLR-3P의 균형 및 폭발력 테스트

연구원들은

균형 잡힌 성능과 폭발력을 중심으로 테스트를 진행했습니다. 빠른 움직임과 쪼그려 앉기는 바퀴 달린 로봇의 균형 성능을 검증하는 가장 기본적인 동작입니다. 빠르게 움직일 때는 로봇의 질량 중심(COM)이 수평 방향으로 빠르게 변하고, 쪼그리고 앉을 때는 COM이 수직 방향으로 빠르게 변합니다.

빠른 모바일 테스트

0.35m 및 0.65m 높이 범위의 COM 스쿼트 스냅샷

테스트 결과 WLR-3P의 수평 및 수직 균형 성능이 양호하며 로봇 하드웨어 시스템의 신뢰성도 검증되었습니다.

WLR-3P는 0.5초 만에 이륙, 비행, 착륙을 완료할 수 있습니다

실험 결과에 따르면 로봇 WLR-3P는 13.6km/h의 속도와 0.2m의 점프 높이에 도달할 수 있는 것으로 나타났습니다. 유압 드라이브와 로봇의 구조 설정이 완벽하게 인증되었습니다.

연구원들은 실험 경험을 정리하여

로봇 무게가 가벼울수록, 구동 시스템의 폭발력이 강할수록 로봇이 더 높이 점프할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 특히 체중 대비 다리 무게의 비율이 작을수록 무릎 관절의 순간 출력 힘과 속도가 높아져 로봇의 점프 성능에 더 큰 영향을 미치게 된다.

다시 작성해야 하는 내용은 다음과 같습니다. ▍WLR-3P의 두 "형제"

실제 성능과 이론적 설계 성능 사이에는 여전히 어느 정도 격차가 있지만 이는 향후 작업의 방향을 제시한다고 팀에서는 밝혔습니다

2017년에는 최초의 유압식 바퀴다리 로봇 WLR-I를 개발하고 통합 설계 및 복합 운동 능력을 성공적으로 검증했습니다. 그러다가 2018년에는 2세대 바퀴 달린 로봇 WLR-II가 최초로 출시되어 호스 없는 디자인을 구현하고 예상치 못한 지형 적응성을 보여주었습니다

두 형제가 합동운동과 눈 움직임 테스트를 진행하고 있습니다

위 그림에서 볼 수 있듯이 처음 2세대 로봇은 복잡한 지형에 대한 적응성과 평지에서의 기동성이 실제로 입증되었지만 둘 다 외부 펌핑 스테이션을 통해 구동됩니다. 이번에 WLR-3P는 처음 2세대 바퀴 달린 로봇의 설계를 기반으로 상당한 개선을 이루었습니다. 운동 능력을 향상시킬 뿐만 아니라, 파워 자율성을 달성합니다.

다음으로 팀은 HPU의 출력 전력과 HDU에 필요한 전력을 일치시키는 방법도 고려해야 합니다. 구동력 및 로봇 동작에 대한 요구 사항에 대해서는 열 방출 및 소음과 같은 엔지니어링 문제를 고려해야 합니다. 더 중요한 것은 유압 부품의 소형화 및 맞춤화도 미래 연구 방향 중 하나입니다.

효율이 너무 높다고 해야 할까요. 그럼 말도 안되는 소리는 그만하고 넷째 형제인 WLR을 기다리세요.

위 내용은 하얼빈공업대학의 바퀴 달린 로봇이 버전 3.0을 출시했습니다! 설계, 제어 및 성능 테스트 이해하기의 상세 내용입니다. 자세한 내용은 PHP 중국어 웹사이트의 기타 관련 기사를 참조하세요!