In this thesis, the novel stabilization control method of humanoid robot is proposed for a stable dynamic walking. It should be noted that online walking control is indispensable to obtain a stable dynamic walking even if the walking pattern is made based on zero moment point (ZMP) and angular momentum. A reason is that disturbance and errors, which are not expected in the modeling stage, can exist in the actual condition. Therefore, this thesis proposes the stabilization control scheme that takes both landing force control and posture control into account. In addition to the stabilization controller, the walking pattern generation method considering inclined plane is also proposed.
Though walking pattern is made by considering a ground reaction force, this ground reaction force does not act on the robot at expected time and as expected magnitude due to various errors. This force accelerates or rotates robot's center of gravity and alters the expected robot's ZMP and angular momentum, which results instability. Thus, reducing landing force is one of the important factors for stable walking and the landing force control algorithm is proposed for this objective. In this thesis, time-domain passivity control approach is applied. Ground and robot's foot are modeled as two one-port network systems, which are connected and exchange energy with each other. The time-domain passivity controller with admittance causality is implemented where the landing force is given as an input and the corresponding foot position is assigned as an output to trim off this force.
Second major part of the stabilization control method is posture control. It is required to compensate unexpected inclination of robot's posture, which is caused by various disturbances and errors. Posture control algorithm is also implemented by using time-domain passivity approach. It controls robot's posture according to resulted torque and an inclination of robot. Similar to the landing force control, the posture control also uses the network modeled system that consists of robot and environment, and calculates the energy of network system to compensate the inclination of robot.
This thesis not only implements the walking stabilization controller, which consists of the landing force control and the posture control, but also proposes a walking pattern generation method for humanoid robot to walk on an inclined plane. When a robot walks on slope, landing force control and posture control should be operated at the same time. Moreover, walking pattern should be modified according to the inclined plane in order to walk with stability. For the purpose, the robot is modeled as an inverted pendulum, which is made by one point mass. Note that the walking pattern is generated for inclined plane using this model.
The proposed stabilization controller does not require complex dynamic equation of the robot and adjustment of control parameter. Moreover, it can guarantee the stability of the controller without needing any dynamic model information because it is based on passivity property. The proposed control scheme was verified through dynamic walking simulations and experiments using the small sized humanoid robot, HanSaRam-VII. The humanoid robot could stably walk even on inclined plane using the stabilization control method and walking pattern generation scheme.
본 논문에서는 휴머노이드 로봇의 안정적인 동적 보행을 위한 새로운 안정화 제어기를 제안한다. 일반적으로 휴머노이드 로봇의 걸음새 생성 단계에서는 안정적인 동적 보행을 위해서 로봇의 ZMP와 각운동량과 같은 개념을 사용하여 걸음새를 만든다. 하지만 실제 구동 환경에서는 예상하지 못한 다양한 외란과 오차들이 발생하기 때문에, 이들을 보상하기 위한 센서 피드백에 의한 보행 제어기는 반드시 필요하게 된다. 본 논문에서는 이를 위해, 착지력 제어기와 자세 제어기로 구성된 새로운 보행 제어기를 제안하였다. 또한 제안된 안정화 제어기를 사용하여 휴머노이드 로봇이 기울어진 지면에서 보행할 수 있도록 기울어진 지면에 맞는 걸음새를 생성하였다.
로봇이 평지에서 걸을 때, 로봇에 주기적으로 작용하는 가장 큰 외란은 지면으로부터의 반발력이다. 걸음새를 생성하는 단계에서, 비록 지면 반발력을 고려하여 걸음새를 생성했다고 하더라도 실제 로봇을 구현하는 단계에서는 다양한 오차로 인해, 지면 반발력은 예상한 시간에 예상한 크기로 로봇에 작용하지 못한다. 이 힘은 로봇의 무게 중심을 가속시키거나 회전시키고, 로봇의 ZMP와 각운동량을 변화시켜서 결과적으로 로봇을 불안정하게 만든다. 따라서 이 힘을 감소시키는 것은 안정적인 보행을 위해 중요한 요소 중 하나이고, 본 논문은 시간 영역 수동성 제어 기법을 사용한 착지력 제어기를 제안하였다. 이를 위해 지면과 로봇의 발은 서로 연결되어 에너지를 주고받는 두 개의 단일 포트 네트워크 시스템으로 모델링되었다. 지면 착지력을 입력으로 받고, 이를 보상하기 위한 로봇 발의 위치를 출력으로 갖는 어드미턴스 인과 관계의 시간 영역 수동성 제어기를 구현하였다.
제어기의 나머지 부분은 자세 제어기이다. 여러 가지 외란에 의해 발생할 수 있는 예상치 못한 로봇의 기울어짐을 보상하는 것 역시, 휴머노이드 로봇의 안정적인 동작을 위해 반드시 필요한 요소이다. 로봇의 자세의 기울어짐을 보상하기 위한 제어기 또한 시간 영역 수동성 제어 방법을 이용하여 구현되었다. 이 자세 제어기의 경우 로봇에 작용하는 토크와 로봇의 기울어진 각도를 바탕으로 자세가 수정된다. 착지력 제어기와 마찬가지로 로봇과 로봇이 동작하는 환경을 서로 연결된 두 개의 네트워크 시스템으로 모델링하고, 이들 사이의 에너지 입출력을 계산하여 로봇의 초과된 에너지만큼을 소모시키는 시간 영역 수동성 제어기를 구현하였다.
또한 본 논문은 기울어진 평면에서 로봇이 보행을 하기 위해 제안된 제어기들을 통합하여 전체적인 보행 안정화 제어기를 구현한 것뿐만 아니라 기울어진 평면에 맞도록 걸음새를 수정하도록 하였다. 기울어진 지면 위에서 보행하기 위해서는 지면 반발력을 보상하고 로봇의 자세를 바로 세우도록 제어하는 것 이외에도 근본적으로 로봇의 걸음새가 지면에 맞도록 생성되어야 하기 때문이다. 이를 위해, 로봇을 하나의 질점으로 이루어진 역진자로 모델링하여 기울어진 지면에서 보행하기 위한 걸음새를 생성하는 방법도 또한 제안되었다.
제안된 보행 안정화 제어기는 에너지 개념에 기반한 시스템 모델에 의하여 제어가 동적으로 수행되기 때문에, 제어를 위한 시스템의 복잡한 동력학식이 필요 없고 넓은 동적 환경에서 제어 인자의 조절 없이 사용할 수 있다. 또한 시간 영역 수동성 제어를 사용하기 때문에 제어기의 안정성이 보장되는 것이 특징이다. 제안된 제어 방법의 성능은 소형 휴머노이드 로봇 한사람-VII을 이용한 동적 보행 실험을 통해 검증하였다. 착지력 제어기와 자세 제어기로 이루어진 보행 안정화 제어기와 기울어진 지면의 상태를 고려한 걸음새 생성 방법을 이용하여 로봇은 기울어진 지면 위에서도 안정적으로 동적 보행을 할 수 있었다.
