공압식 액츄에이터는 로봇 치타에게

전기 모터는 다리가 있는 로봇을 주류로 끌어들이는 데 도움이 되었으며 안전하고 민첩한 동작에 필요한 모든 고급 제어 기능을 통해 로봇 팔다리를 간단하고 컴팩트하게 제어할 수 있는 방법을 제공합니다. 전기 모터에서 얻을 수 없는 것은(어쨌든 한 번 이상) 생물학적 근육의 성능에 일치하는 데 필요한 일종의 순간적인 힘입니다. 이것이 바로 현재 가장 강력하고 역동적인 로봇인 Atlas가 유압 액추에이터를 사용하는 이유입니다. 인간 크기의 로봇이 뒤로 공중제비를 하게 만드는 것은 필요한 전력을 얻는 유일한 방법입니다.

치타의 고속 기동에서 영감을 받아 남아프리카 케이프 타운 대학의 로봇공학자들은 유압 작동기의 오래된 형제인 공압 작동기를 실험하기 시작했습니다. 액체 대신 가스를 작동 유체로 사용하면 유압 장치에는 부족한 규정 준수 기능이 내장되어 비교적 간단하고 저렴한 폼 팩터로 높은 힘 대 중량 비율을 얻을 수 있습니다. 공압 장치는 제어하기 쉽나요? 아니요! 하지만 로봇을 치타처럼 달리게 하려면 복잡한 제어가 필요하지 않을 수도 있다는 것이 밝혀졌습니다.

"우리는 신속한 기동성을 위해 정밀한 병력 제어가 필요하지 않을 수도 있다고 주장하고 있습니다." - 남아프리카 케이프타운 대학교 아미르 파텔(Amir Patel)

먼저, 유압 장치의 문제점에 대해 이야기해 봅시다. 왜냐하면 유압 장치는 복잡하고 비용이 많이 들고 폭발할 경우 온갖 종류의 지저분함을 겪기 때문입니다. 그리고 유압 장치의 비준수 특성으로 인해 모델링 및 제어가 더 쉬워지지만 실제 사용에서는 덜 관대합니다. 멀리 돌아가면 Marc Raibert가 MIT에서 동적 다리 로봇을 개발하던 1980년대로 돌아가서 달리고 점프하는 로봇은 유압 장치보다는 공압 장치에 의존하고 있었습니다. 공압 장치가 구현하기 훨씬 쉽기 때문입니다.

오늘날 모든 사람이 공압식 대신 유압식을 사용하는 큰 이유 중 하나는 공기가 압축 가능하기 때문입니다. 이는 내장된 규정 준수에는 좋지만 대부분의 기존 제어 방법을 엉망으로 만듭니다. 케이프타운 대학의 부교수인 Amir Patel은 "이 액추에이터로는 미세한 힘 제어가 어렵기 때문에 대부분은 이를 피했습니다."라고 설명합니다. “유압은 압축성이 없으며 놀라운 일을 할 수 있지만 공압보다 가격이 꽤 비쌉니다. 그리고 팔다리에서 폭발적인 움직임이 필요한 동물을 볼 때 우리는 공압이 좋은 액추에이터가 될 것이라고 생각했지만 종종 간과되었습니다."

파텔은 치타 생체역학에 관해 엄청난 양의 연구를 해왔습니다. 우리는 과거에 그 중 일부에 대해 썼습니다. (예를 들어, 치타가 푹신한 꼬리를 갖는 이유는 다음과 같습니다.) 그러나 최근 Patel은 치타의 역학을 매우 충실하게 추적하여 치타가 어떻게 움직일 수 있는지 알아내는 방법을 찾으려고 노력해 왔습니다. 치타가 협력한다면 쉬울 것입니다. 그러나 소리로 볼 때 치타가 작은 힘판 위로 직접 달리거나 설정한 카메라의 이상적인 시야에서 원하는 동작을 하도록 하는 것은 일종의 악몽. 이 작업의 대부분은 진행 중이지만 Patel은 이미 치타에서 영감을 받은 이동에 대한 새로운 접근 방식을 제안할 만큼 충분히 배웠습니다. Patel은 "여기 남아프리카에서 치타를 연구한 결과, 치타가 정지 상태에서 가속할 때 실제로 정밀한 힘 제어를 시도하지 않는 것 같습니다."라고 말합니다. “그들은 가능한 한 세게 밀고 있습니다. 따라서 우리는 공압 장치와 같은 온/오프 액추에이터(뱅뱅 컨트롤러라고도 함)가 그 일을 할 수 있다고 생각하게 됩니다. 우리는 신속한 기동성 작업에 미세한 힘 제어가 필요하지 않을 수도 있다고 주장하고 있습니다.”

"우리는 정지 상태에서 빠르게 가속하거나 빠른 속도로 걷다가 정지하는 등 이동의 일시적인 단계에 중점을 둡니다." - 남아프리카 케이프타운 대학의 Amir Patel

Patel(동료 Christopher Mailer, Stacey Shield 및 Reuben Govender와 함께)은 공압이 제공할 수 있는 일종의 빠른 가속 및 기동성을 탐색하기 위해 Kemba라는 다리가 있는 로봇(또는 다리가 있는 로봇의 절반)을 만들었습니다. Kemba의 엉덩이에는 높은 토크의 준직접 구동 전기 모터가 엉덩이에 통합되어 있어 보다 충실도가 높은 포지셔닝이 가능하며, 고출력 공압 피스톤이 무릎에 부착되어 있습니다. 전기 모터는 우리가 전기 모터에서 기대할 수 있는 정밀한 제어 기능을 제공하는 반면, 피스톤은 켜거나 끌 수 있는 간단하고 저렴한 이진 밸브로 제어됩니다. 연구원들은 공압 작동기의 복잡한 동역학을 모델링하는 데 많은 노력을 기울였습니다. 왜냐하면 결국 공압이 수행하는 작업에 대한 어느 정도 이해가 필요하기 때문입니다. 그러나 여기서도 개념은 폭발 작동을 위해 공압을 사용하고 엉덩이의 전기 모터에서 더 미세한 제어를 얻는 것입니다.