In order to handle complex navigational commands, this paper proposes a novel walking pattern generation algorithm for a humanoid robot, which can modify a walking period, a step length and a walking direction in both sagittal and lateral planes. By allowing a variation of ZMP over the convex hull of foot polygon, it is possible to change the center of mass (CM) position and velocity independently throughout the single support phase without any extra step for adjusting the CM motion. This permits a range of dynamic walking motion, which is not achievable using the 3D Linear Inverted Pendulum Mode (3D-LIPM). In addition, the proposed algorithm enables to determine the dynamic feasibility of desired motion via the construction of feasible region, which is explicitly computed from the current CM state with simple ZMP functions. Moreover, adopting the closed form functions makes it possible to reduce the computational cost, which ensures a real-time calculation.
Also, to stabilize the robot in the presence of external disturbance, stabilization strategy is proposed, which is composed of two stages: Disturbance absorbing stage and state recovery stage. In the disturbance absorbing stage, foot impedance was relaxed to keep the contact condition. Also, foot position was modified to avoid the early-contact. In the state recovery stage, foot impedance was returned to the normal state and the CM motion was modified to arrive at an appropriate state during double support phase. The effectiveness of the proposed algorithms are demonstrated through both computer simulation and experiment on the humanoid robot, HanSaRam-VII and VIII, developed at RIT laboratory, KAIST
장애물이 있는 환경에서 휴머노이드 로봇이 강인한 동작을 하기 위해서는 무게중심의 궤적과 보폭를 원하는 대로 조절할 수 있어야 한다. 본 논문에서는 계단함수(step function)와 상수함수(constant function)로 주어지는 닫힌형태(closed form)의 함수를 이용하여 ZMP의 궤적을 조절할 수 있는 실시간 걸음새 생성기를 제안하였다. 계단함수는 ZMP를 변화시키는데 있어 다른 일반함수(arbitrary function)와 비교하여 가장 유용한 함수이며 이는 부록(Appendix) B에서 분석되었다. 또한 구현 측면에 있어 진행 방향으로의 운동에는 상수함수가 제안되었으며 계단함수와 비교되었다. 제안된 걸음새 생성기는 진행 방향과 측면 방향 모두의 걸음 속도, 보폭 및 방향을 동적으로 변화시킬 수 있다. 또한, 걸음가능영역(feasible region)을 도출함으로써 주어진 항법 명령(navigational command)의 가능성 여부를 판단할 수 있으며 이로부터 무게 중심의 목표 운동을 결정하게 된다. 그 후, ZMP 변화를 이용하여 목표 운동을 수행하게 된다.
제안된 알고리즘은 기존의 알고리즘인 3D-LIPM에서는 하지 못했던 한 발 지지상태 동안에 걸음새를 수정할 수 있다. 즉, 무게 중심의 운동을 조절함으로써 별도의 걸음걸이 없이 보폭과 속도, 방향을 독립적으로 변화시키는 것이 가능하다. 이와 같은 장점은 특히 휴머노이드 항법에 효과적으로 사용될 수 있으며 선행데이터(preview data)가 필요 없으므로 발자국 궤적을 계획하는데 편리하게 이용될 수 있다. 또한, 응급 상황에서는 로봇이 멈추거나 방향을 바꾸는 등의 즉각적인 대응을 할 수 있으며 이는 실험을 통하여 검증하였다. 닫힌 형태의 ZMP 함수를 사용함으로써 연산량을 효과적으로 줄일 수 있어으며 그 결과 실시간 연산이 가능하게 되었다.
또한, 외란이 존재하는 상황에서 로봇의 안정적인 걸음을 유지하기 위하여 안전화 전략(stabilization strategy)을 제안하였다. 외란이 있을 경우에, 평상시의 걸음새를 그대로 수행하게 되면 안정적인 걸을을 유지하기 어렵기 때문에 외란에 적절한 대응을 할 수 있는 안정화 전략이 필요하다. 제안된 안정화 전략은 외란 흡수 단계와 상태 회복 단계로 이루어져 있다. 외란 흡수 단계에서는 발의 임피던스 제어를 통하여 지면과의 접촉을 유지하도록 하였으며 외란으로부터 생성된 모멘텀을 흡수하기 위하여 발의 궤적을 수정하도록 하였다. 상태 회복 단계는 양발 지지상태 동안에 이루어 지게 되며 외란 흡수 단계에서 변화 시켰던 무게 중심의 궤적과 발의 궤벅을 원래의 상태로 복구시키도록 하였다. 이와 같은 두 단계로 이루어진 안정화 전략을 통하여 외란이 있을 경우에도 안정성을 유지할 수 있으며 실험을 통하여 이를 검증하였다.
