Recently, many researches have been focused on development of biped walking robot similar to human walking. The objective of this thesis is to realize the dynamic gait for a robot based on an online sensory feedback control. For this purpose, we have developed the KAIST humanoid robot platform KHR-1 that is composed of 21 DOF (12 DOF for lower limbs, 8 DOF for arms and 1 DOF for trunk that has yawing motion)
The first part of the thesis describes the design philosophy of the humanoid robot KHR-1, the selection method of actuators, and the elementary technology that is required in realization. The actuators of the lower limbs are selected by the simulation of specific motion patterns in the sagittal and lateral plane with a simple lumped mass model. For example, specific motion pattern in sagittal plane is a standing up and sitting down motion during single support phase, and this pattern is frequently observed in walking and going up the stairs. The validity of the actuator selection method is verified by real experiment. This paper also presents mechanism, controller architecture, motor amplifier, force/ torque sensor and tilt sensors of the developed humanoid robot KHR-1.
The latter part of the thesis presents three online controllers for maintaining dynamic stability of a humanoid robot using force/ torque sensor. Those are damping controller, landing orientation controller and landing position controller. Since the legs of a humanoid robot are relatively long and serially connected with compliant force/torque sensor at the ankle, this architecture has the inherent characteristics of a lightly damped system. Most researches on balance control have overlooked the deterministic vibration caused by structural compliance. In addition, the vibration was not positively considered to improve the characteristics of the system. Therefore, a simple inverted pendulum model with compliant joint is proposed in this thesis, and the damping controller that increases system damping is designed for the model. Furthermore, the performance of maintaining balance against external forces is experimentally shown. A landing orientation controller at the ankle joints is presented to manage fast and stable ground contact. A landing position controller is implemented in order to modify the prescribed trajectory of the swing foot and to reduce the landing impact during unexpected landing. The effectiveness of the proposed controllers is confirmed by walking experiments that has been applied on the KHR-1.
근래에 사람처럼 두발로 걸을 수 있는 로봇에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 온라인 센서 피드백 제어를 통하여, 로봇의 동적 걸음새를 구현하는 것이 본 논문의 목적이다. 이를 위하여 21 자유도(12 자유도의 하체, 8 자유도의 팔, 1 자유도의 허리)로 구성된 KHR-1 (KAIST 인간형 로봇 플랫폼- 1)을 개발하였다.
먼저, 논문의 전반부에서는, 인간형 로봇 KHR-1의 설계 철학과 구동기 선정법, 구현에 필요한 요소 기술들에 관하여 서술한다. 로봇 하체의 구동기는 시상면과 전두면에서의 특정한 동작 패턴을 간단한 모델로 모의 실험하여 선정하였다. 예를 들면, 시상면에서의 특정한 동작 패턴은 한발 지지상태에서 앉았다 일어서는 동작이며, 이는 걷기와 층계 오르기에서 흔히 볼 수 있는 패턴이다. 이와 같은 구동기 선정법의 타당성은 실제 실험으로 검증된다. 개발된 인간형 로봇 KHR-1의 기계구조, 제어 구성, 모터 앰프, 힘/모멘트 센서, 경사 센서에 대해서도 설명한다.
논문의 후반부에서는 인간형 로봇의 동적 안정성을 유지하기 위한 세가지 온라인 제어기에 관하여 다룬다. 이 세가지는 감쇠 제어기, 착지각 제어기, 착지 위치 제어기이다. 인간형 로봇의 다리는 상대적으로 길고, 발목에는 유연한 힘/모멘트 센서에 직렬로 연결 되어 있는 구조이기 때문에 저감쇠 시스템의 고유한 특징을 갖기 마련이다. 이제까지 균형 제어에 관한 대부분의 연구에서는 구조적인 유연성에 의해 발생하는 확정적(deterministic) 진동을 간과해 왔으며 시스템의 특성을 향상시키기 위해 이러한 진동이 적극적으로 고려되지 않았었다. 따라서, 본 논문에서는 유연한 조인트를 갖는 역진자 모델을 제안하였고, 이 모델에 대해서, 시스템 감쇠력을 향상시키는 감쇠 제어기를 설계하였다. 이 제어기가 외부력에 대항하여 균형을 유지하는 능력을 실험적으로 보였다. 발이 착지할 때에 발목 각도를 조절하는 착지각 제어기는, 빠르고 안정적인 지면 접촉을 이루어 내기 위해서 적용하였다. 착지 위치 제어기는 착지하는 발의 위치 궤적을 수정하고, 예상치 못한 착지 순간에 충격을 완화하기 위해서 사용되었다. 제안된 제어기의 유효성은 KHR-1의 걸음 제어 실험으로 입증된다.
