A hydraulic power unit (HPU) is a essential device to supply pressure and flow rate in a hydraulic drive system. The existing HPU have disadvantages in that they are relatively large and heavy, and its driving method is also inefficient in terms of the energy-efficiency. In this work, we will present a light-weight HPU design method for embedding it on a biped robot to perform various motions and an energy efficient control method to prevent overheating of the oil and to extend operating time of the robot. The HPU introduced in this work has a structure in which an electromagnet motor and a pump are integrated into a single module, and the module is immersed in hydraulic oil. This layout is advantageous not only for a miniaturized design, but also for improving the heat problem that occurs when delivering highly pressurized energy. A relationship between motor geometric parameters and the thermodynamic behavior of the motor will be expressed mathematically, and a process to design the shape of the motor for stable operation under high-pressure operation will be provided. Also, we will present a control method that can reduce the energy consumed by establishing a energy loss model occurring throughout the robot. This control method, which is based on model predictive control (MPC), provides an optimized pump speed minimizing the energy loss caused in the overall system while supplying enough pressure to achieve various tasks with the robot. Finally, we will verify the functionality and effectiveness of the HPU and its controller by applying the proposed methodology to LIGHT, a hydraulic biped robot.
유압 파워 유닛(hydraulic power unit, HPU)은 유압 구동 시스템에서 압력 및 유량을 공급하기 위한 기본적인 장치이다. 기존의 유압 파워 유닛의 구조는 크고 무거우며, 구동 방식 역시 에너지 측면에서 비효율적이다. 본 논문에서는 유압 파워 유닛이 이족 로봇에 탑재되어 각종 동작을 수행하도록 하기 위한 설계 방법과 작동유의 과열 방지 및 로봇의 동작 시간의 연장을 위한 에너지 효율적 제어 방법을 제시하고자 한다. 본 논문에서 소개되는 유압 파워 유닛은 전자석 모터와 펌프가 일체형으로 모듈화되고, 해당 모듈이 작동유에 침유되는 구조를 갖는다. 이러한 구조는 소형화 설계에 유리할 뿐만 아니라, 유압 에너지 전달 시 나타나는 발열 문제를 개선하는 데에 도움이 된다. 모터 설계 변수 및 열역학적 거동 사이의 연관성을 수식적으로 나타내고, 고압 구동 시에서도 안정적으로 동작하기 위한 모터 형상 설계를 위한 기틀을 마련할 것이다. 또한, 유압 파워 유닛 구동 시 로봇 전반에 발생하는 에너지 손실 모델을 정립하여 소비되는 유압 에너지을 줄일 수 있는 제어 방법을 제시할 것이다. 모델 예측 제어(model predictive control, MPC)를 기반으로 하는 이 제어 방법은 로봇의 동작 수행을 위한 압력을 안정적으로 공급하되, 에너지 손실 모델을 최소화할 수 있는 최적화된 펌프 속도로 구동되도록 한다. 마지막으로 본 연구에서 제시된 방법론을 유압 구동식 이족 로봇인 LIGHT에 적용함으로써 유압 파워 유닛의 기능성 및 유효성을 검증할 것이다.
