The study on the bipedal robot with hybrid actuation using pneumatic power pack is conducted in this paper. The pneumatic power pack development for the bipedal robot with hybrid actuation is achieved and its performance is evaluated for operating the robot.
The pneumatic power pack is designed for supplying pneumatic energy to the pneumatic actuators of the bipedal robot for full mobility and disconnecting tethered pneumatic hose. Therefore, it should generate high flow rates of highly pressurized gas and it should be designed light and compact as well. The gas generation is based on the chemical decomposition of the hydrogen peroxide solution and the pneumatic power pack with pressure feedback mechanism is suggested and evaluated to make a high pressure of gas. The generated total pneumatic energy from the pack is modeled and evaluated through experiments and the modelings of monopropellant decomposition in the reactor and pressure dynamic of the reservoir.
The bipedal robot with hybrid actuation based on pneumatic cylinders and electric geared motors is designed and developed. Six degrees of freedom out of total 10 degrees of freedom are active for the robot joints. Four hip joints are actuated by geared motors and pneumatic cylinders control the others at knee joints of the bipedal robot. Position-based tracking feedback controller is designed for the motor actuation and solenoid or proportional pneumatic valves are actuated to control the joints based on position sensor signals.
The bipedal robot is designed with the hybrid actuation in order to verify the effectiveness of the pneumatic compliance which is powered from the proposed pneumatic power pack. The inherent compliance of pneumatics can make the robot safe from external disturbances when the robot hits the ground and make it more robust to it. The compliance model of the pneumatic cylinder is suggested and taken into account for the robot balancing control.
The developed pneumatic power pack is designed for implementing the bipedal robot. The dual reactor is adopted for generating enough gas flow rates for operating the robot. The gas generating performance is evaluated for the robot operating conditions. The suggested pneumatic circuit performance of the power pack such as initial pressure acceleration and reverse flow allowance are evaluated through simulations and experiments.
본 논문에서는 공압 구동 기반의 이동형 로봇을 위한 공압 파워팩 및 공압 에너지 발생 장치에 관한 연구를 수행하고 전기 모터 및 공압 구동기를 이용한 하이브리드 이족 로봇을 개발하고 보행을 위한 기초 구동 테스트를 시행함과 동시에 개발된 공압 파워팩을 이용한 구동 성능을 평가한다.
이동형 공압 파워팩은 공압 구동기 기반 로봇의 이동성을 확보하기 위해 로봇에 장착되어 공압 에너지를 공급해야 한다. 따라서 공압 파워팩은 작고 가벼워야 하며, 동시에 고압의 공압 에너지를 대량 생산할 수 있어야 한다. 본 연구에서는 고농도 과산화수소수의 촉매 분해 반응을 통해 나오는 고온의 가스를 고압으로 만들기 위한 공압 피드백 메커니즘을 제안하고 이를 평가한다. 또한 다량의 공압 발생이 효과적으로 이뤄지기 위한 반응기 설계를 포함한다. 공압 파워팩의 촉매 분해 반응과 압력에 모델링을 통해 공압 에너지의 총량을 계산을 계산하고 이를 실험적으로 검증한다.
공압구동기 및 전기 모터 기반 하이브리드 구동기를 이용한 이족 로봇을 개발하였다. 본 연구에서 제작한 이족 보행 로봇은 총 10개의 자유도를 갖으며 6개의 능동 제어 구동이 가능하다. 고관절에 위치한 4개의 자유도는 전기모터로 무릎의 2개 자유도는 공압 실린더로 구동된다. 로봇의 링크는 경량화를 위하여 3D 프린프를 이용하여 플라스틱 소재로 제작하였다. 전기 모터는 위치 기반 토크 제어를 수행하였으며, 공압 구동기는 비례 제어 밸브를 이용한 위치 제어를 수행하거나 공압 회로의 구성에 따라 솔레노이드 밸브를 이용한 제어를 수행한다.
공압 구동기와 전기 모터의 복합 구동 방식을 이족 로봇에 적용하여 로봇을 개발한 이유는 공압 구동기의 컴플라이언스 특성을 잘 활용할 수 있는 가능성을 검증하기 위함이다. 로봇 발이 지면에 닿거나 서있는 상태에서 외부로 부터 로봇으로 들어오는 외란의 크기와 형태로 부터 공압 컴플라이언스는 로봇을 보호함과 동시에 충격으로부터 로봇 안정성을 유지하는데 중요한 역할을 할 수 있다. 이를 위하여 보행 및 컴플라이언스 모델을 제시하고 로봇 구동에서의 적용 가능성을 설명하며 로봇의 스윙 및 균형 제어에 적용하였다.
공압 파워팩은 이족 로봇의 공압 구동기 구동을 위해 부착 가능하도록 설계 제작되었다. 로봇의 구동을 위한 유량을 확보하기 위하여 듀얼 구동기로 설계 되었으며 로봇의 구동 성능에 따른 제작된 파워팩의 요구 성능 등에 대한 일반화된 정량적 기준을 제시한다. 또한 이를 위한 실험적 검증을 수행하였다. 제안된 공압 회로를 소개하고 공압 회로로부터 공압 에너지 생성 및 컴플라이언스 제어를 위한 제어 알고리즘 제시하고 시뮬레이션 및 실험 결과를 통해 검증한다.
