This paper proposes a footstep planning algorithm based on human`s walking scheme for humanoid robot to arrive at a target point in a dynamic environment with obstacles. Univector field navigation method which is one of the path planning methods for differential drive mobile robot is employed to determine the moving direction of the humanoid robot at every footstep. Based on the determined moving direction, exact location of footprint is determined. Also, the algorithm which is able to modify step length depending on obstacle`s position is proposed. By modifiable walking pattern generator inputted the determined moving direction and step length at every footstep, it generates every trajectory of robot`s each joint.
The proposed algorithm generates the efficient and natural path by applying a boundary to the avoid-obstacle univector field and introducing the virtual obstacle concept. Furthermore, it enables a robot to get to a destination with a desired orientation by employing the hyperbolic spiral univector field. The proposed algorithm makes a robot possible to step over an obstacle with minimal step length maintaining its heading orientation. It also considers the situation when an obstacle is in front of only one leg. In this case, it steps over the obstacle while placing the other leg properly as a supporting one. Also, by evolutionary programming, it generates the most effective optimized path considering hardware limit of a robot. The effectiveness of the algorithm has been demonstrated by simulations using the HSR-VIII model by Webot of in dynamic environment.
본 논문은 사람의 걸음 방법을 기반으로 한 휴머노이드 로봇이 장애물이 있는 동적인 환경에서 목적지에 도달할 수 있게 하는 발걸음 계획 알고리즘을 제안한다. 차동 주행 모바일 로봇의 경로 계획 방법 중의 하나인 단위벡터장 항법은 매 걸음마다 휴머노이드 로봇의 이동 방향을 결정하기 위해 사용된다. 결정된 이동 방향을 기반으로 정확한 발의 위치가 결정된다. 또한, 장애물의 위치에 따라서 보폭을 조절할 수 있는 알고리즘이 제안된다. 매 걸음마다 결정된 이동 방향과 보폭이 입력된 가변적 걸음 생성기에 의해 로봇의 각 관절의 모든 궤적이 생성된다.
제안된 알고리즘은 avoid-obstacle 단위벡터장에 경계를 설정하고 가상 장애물 개념을 도입함으로써 효과적이고 자연스러운 경로를 생성한다. 게다가, 쌍곡 나선곡선 단위벡터장을 이용하여 로봇이 목적지에 원하는 방향으로 도달하도록 한다. 제안된 알고리즘은 로봇이 최소한의 보폭으로 이동 방향을 유지한 상태로 장애물을 넘을 수 있도록 한다. 또한 장애물이 오직 한쪽 다리 앞에만 있는 상황도 고려한다. 이 경우, 다른 한쪽 다리는 장애물의 위치와 상관없이 발의 위치를 결정하여 장애물을 넘게 된다. 또한, 진화연산에 의해 로봇의 하드웨어적 한계를 고려하여 가장 효과적인 최적화된 경로를 생성한다. 제안된 알고리즘의 성능은 동적인 환경에서 Webot에 의한 HSR-VIII의 모델을 사용하여 모의실험 함으로써 증명되었다.
