The Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) humanoid robot - 1 (KHR-1) was developed for the purpose of researching the walking action of bipeds. KHR-1, which has no hands or head, has 21 degrees of freedom (DOF): 12 DOF in the legs, 1 DOF in the torso, and 8 DOF in the arms. The second version of this humanoid robot, KHR-2, (which has 41 DOF) can walk on a living-room floor; it also moves and looks like a human. The third version, HUBO (KHR-3), has more human-like features, a greater variety of movements, and a more human-friendly character.
This paper presents the mechanical design of HUBO, including the design concept, the lower body design, the upper body design, and the actuator selection of joints. Previously the details of KHR-1 and KHR-2 developed and published. The HUBO platform, which is based on KHR-2, has 41 DOF, stands 125cm tall, and weighs 55kg. From a mechanical point of view, HUBO has greater mechanical stiffness and a more detailed frame design than KHR-2. The stiffness of the frame was increased and the detailed design around the joints and link frame were either modified or fully redesigned. We initially introduced an exterior art design concept for KHR-2, and that concept was implemented in HUBO at the mechanical design stage.
The electrical system designs and system integration including controllers and sensory devices of the humanoid HUBO are presented. All the joints of HUBO are under the distributed control, which reduces the computation burden on the main controller and also to facilitate device expansions. We have developed a microprocessor-based sub-controller for servo motor operations, onto which sensory feedback is interfaced. The main controller, which is mounted in the chest of the robot, communicates with sub-controllers in real-time through CAN (Controller Area Network). Windows XP is used as the OS (Operating System), which enables rapid program development. RTX (Real Time eXtension) HAL extension software is used to realize the real-time control in Windows XP environment.
HUBO has several sensor types such as 3-axis F/T (Force/Torque) sensors at foot and wrist, inertia sensor system (accelerometer and rate gyro) and CCD camera. The F/T sensor at the foot is crucially important for stable walking. The inertia sensor system is essential to determine the inclination of the robot with respect to the ground.
The paper also proposes a simple on-line method of generating a walking pattern for the biped humanoid robot. The problem of realizing a walking action in humanoid robots involves two components: generation of the basic walking pattern and the compensation required to maintain the robot's balance. Dynamic walking can be realized by incorporating the real-time stabilizing control algorithm developed for KHR-1, KHR-2, and HUBO. In the previous pattern generation of KHR series, the robot's step time and stride were fixed, and the walking modes, the step time, and the stride without stopping could not be changed. Hence, the flexibility of the robot's walking pattern needed to be upgraded. The walking pattern allows variation in the robot's walking mode, step time, and stride for each step. The pattern uses a simple mathematical form of trajectory curves, namely sine, cosine, linear, and third-order polynomial curves, and the superposition of these curves is used to minimize the complexity For generating the trajectory of the robot's pelvis, third-order polynomial curves are used. With the aid of a simplified ZMP (Zero Moment Point) equation, the pelvis trajectories have a direct relation with the ZMP trajectories. An effective way of generating the trajectories is introduced and the scheme is verified experimentally under various walking conditions, such as step time and stride.
KHR-1(The Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) humanoid robot - 1)은 이족 보행의 구현을 위한 기초 연구를 위해 개발되었다. KHR-1은 머리와 손의 자유도(DOF: Degree Of Freedom)가 없이 21개의 자유도를 갖고 있는 휴머노이드 로봇 시스템으로서, 양 다리에 12개, 몸통에 1개, 양 팔에 8개의 자유도를 갖는다. 2차 버전의 KAIST 휴머노이드 로봇은 KHR-2로 명명되었다. 특징으로는 분산제어를 통한 41개의 자유도를 갖고 있어 인간의 운동을 모사하기에 더욱 적합하며, 생활 환경 지면 조건에서의 안정한 이족 보행이 가능해진 로봇이다. 3차 버전의 로봇인 휴보(HUBO: KHR-3)는 인간의 모습에 더욱 가까운 형태의 캐릭터를 갖고 있으며, 기계적 강성을 개선하여 보다 향상된 운동성을 갖는다.
본 논문의 전반부에서는 설계 컨셉, 하체부-상체부 설계 및 관절 구동부의 선정과 같은 휴보의 기계적 설계와 플렛폼 개발에 관하여 논하고 있다. KHR-1과 KHR-2의 설계 및 개발에 대해서는 이전의 여러 연구 논문을 통하여 발표한 바 있으며, 휴보의 개발은 이와 기본적으로 맥락을 같이한다. 휴보 플랫폼은 KHR-2를 기본으로 하여 신장 125cm, 무게 55kg을 갖도록 설계되었다. 휴보는 KHR-2에 비하여 기계적 강성이 높이도록 설계되었고, 이를 위하여 관절부 및 링크부의 설계가 개선 또는 재설계 되었다. 또한 인간형 휴머노이드로서의 면모를 갖추기 위하여 기구부 설계단계부터 외양 디자인의 요소를 고려하였다.
로봇의 관절 제어기와 센서부를 포함하는 전자부-시스템 집성에 대하여 논하였다. 휴보의 모든 관절은 분산제어방식의 제어 시스템을 기반으로 한다. 분산제어방식의 시스템은 주 제어기의 계산 부담을 경감시키며, 장치 확장 및 유지 관리가 용이한 장점이 있다. 이러한 분산제어방식의 시스템을 구성하기 위하여 마이크로 프로세서 기반의 관절 모터 제어기와 센서 장치를 개발하였다. 또한 모터제어기-센서 장치를 관장하는 주 제어기는 가슴에 장착되어 있으며, 주 제어기와의 통신은 CAN 통신을 이용한다. 주 제어기의 운영체제는 WindowsXP이며 실시간제어를 위하여 RTX를 사용한다. 휴보는 손목과 발목에 3축 힘/모멘트 센서와 몸통에 가속도계와 레이트 자이로를 이용한 관성센서 시스템, 그리고 머리에는 인간의 눈에 해당하는 CCD카메라가 장착되어있다. 발목에 장착된 힘/모멘트 센서와 중력 방향에 대하여 로봇의 기울기를 측정하는 관성센서 시스템은 로봇의 안정적 보행에 있어서 매우 중요한 센서이다.
본 논문은 효과적인 이족 보행 패턴 생성 알고리즘에 대해서도 논하였다. 이족보행의 구현은 보행 패턴의 생성과 균형 제어의 두 가지 요소로 나눌 수 있다. 균형 제어를 통한 로봇의 자세 안정화는 기존의 KHR-1, KHR-2, 그리고 HUBO에서 이미 많은 연구가 있지만, 로봇의 보행 주기, 보폭 및 방향은 로봇의 보행 중에 변화시킬 수 없는 단점이 있었다. 따라서 로봇 보행의 자율성을 높이기 위한 보행 패턴의 생성에 대한 연구를 통하여 로봇의 보행 성능을 더욱 향상시킬 필요가 있다. 본 논문의 보행 패턴에 대한 연구를 통하여 로봇의 보행 방향, 모드, 보행 주기 및 보폭을 자유롭게 변화시킬 수 있게 되었다. 보행 패턴의 생성은 단순한 형태의 수학 함수를 사용한다. 예를 들어 3차 다항식, 사인-코사인과 같은 삼각 함수, 직선 방정식 및 이러한 함수들의 조합을 통하여 로봇에 적용하기 용이하도록 하였다. 로봇의 골반 궤적 생성을 위해서는 3차 다항 함수를 사용한다. 간략화 된 ZMP방정식을 통하여 골반 궤적과 ZMP사이의 상관관계를 규명하고, 이를 이용하여 효과적으로 안정한 로봇 보행 패턴 생성방법을 제안한다. 또한, 이러한 궤적 생성방법을 이용한 보행 패턴 알고리즘을 실제 로봇에 적용하여 다양한 보행 조건을 적용한 실험으로 검증하였다.
