This thesis proposes a state estimator for the legged robots under diverse contact conditions with the measurement of an inertial measurement unit (IMU) and leg kinematics while assuming static foot contact. The leg kinematics measurement is improved by using legged robot-specific methods. The Rejection of the Dynamic Contact method rejects the leg kinematics measurement when the estimated foot velocity exceeds a certain threshold. This method is further expanded to Covariance Adjustment for the Dynamic Contact method, which switches the uncertainty of the static contact assumption based on the estimated foot velocity, where the foot velocity within the time window of the smoother is also re-evaluated to enhance the effectiveness of the method. On the other hand, the Contact Loop method applies the static contact assumption as a temporal displacement cost when a foot contact is detected to be continuously stationary. Furthermore, the thesis proposes various types of state definitions (SO(3) and SE(k) groups) considering Lie group theory. Also, the group-affine property is exploited on the smoother-based legged robot state estimator. Because the proposed smoother is formulated with the residual functions with group-affine property, their Jacobians become independent from current state estimates. These state-independent Jacobians lead to better convergence properties in optimizing the cost in the smoother, especially under dynamic contact events. The proposed estimators are tested in various robots, including the Mini Cheetah robot, the Mechanum Wheel Legged Robot, and the Hound robot. The verification includes a simulation environment and real robot experiments, including online experiments, where the results are compared against state-of-the-art algorithms.
본 논문은 다양한 접촉 조건에 따른 족형 로봇 상태 추정기를 제안한다. 이 추정기는 정적인 발 접촉을 가정 하면서 관성측정장치(IMU)와 다리 기구학 측정을 이용한다. 족형 로봇 특화 방법을 사용해 다리 기구학의 측정을 개선한다. Rejection of the Dynamic Contact 방법은 추정된 발 속도에 따라 정적 접촉 가정이 만족 하지 않는 경우에 다리 기구학 측정을 제거한다. 이를 더 확장시킨 Covariance Adjustment for the Dynamic Contact 방법은 추정된 발 속도에 따라 정적 접촉 가정의 불확실성을 전환하는데, 여기서 추정기의 시간 창 안에서의 계산된 발 속도도 재계산되어 방법의 효과성을 높인다. 반면에 Contact Loop 방법은 지면에 접촉한 발이 계속해서 정지된 것으로 감지될 때 정적 접촉 가정을 시간적 이동 비용으로 적용한다. 또한, 이 논문은 Lie 군 이론을 고려한 다양한 유형의 상태 정의(SO(3) 및 SE(k) 군)를 제안한다. 더욱이, 군 소속 특성은 스무더 기반 다리 로봇 상태 추정기에 활용된다. 제안된 추정기는 군 소속 특성이 있는 잔차 함수로 구성되므로, 그들의 자코비안은 현재 상태 추정치에서 독립적이게 된다. 이러한 상태-독립적 자코비안은 추정기의 비용 함수를 최적화할 때 더 나은 수렴 특성을 제공하는데, 특히 동적 접촉 사건이 발생할 때 더 뚜렷히 그 장점이 드러난다. 제안된 추정기들은 Mini Cheetah 로봇, Mechanum Wheel Legged Robot 및 Hound 로봇에서 테스트되었다. 검증은 시뮬레이션 환경과 실제 로봇 실험을 포함하며, 실험 결과는 최신 알고리즘과의 비교도 포함한다.
