This thesis describes about biped walking principle, gait generation and establishment of generalized walking control algorithm for biped humanoid robots. Biped walking is the locomotive way using two legs only, which shows excellent mobility with the simplest mechanism among many kinds of legged locomotion. However, biped walking shows unstable natural dynamic characteristics from the successive single support period. Therefore, to walk without losing the stability, high-level control technique and precise sensory organs are needed considering even humans learn biped walking through ceaseless practice for one or two years.
To make biped humanoid robot walks, it is necessary to copy the human gait and understand its dynamics first. In this thesis, the characteristics of static walking and dynamic walking, COM(Center of Mass), ZMP(Zero Moment Point) as the criterion of biped walking stability and understanding of simple physical model are presented in the beginning part. Next, design philosophy, hardware and software architectures of KHR (KAIST Humanoid Robot) series as humanoid robot platforms are introduced.
In the middle of the thesis, the motion control architecture is built first. To generate gait motion, three essential factors are defined by considering human walking process, dynamics of simple inverted pendulum model, and solution of inverse kinematics. Next, standard walking patterns of several walking types are designed properly with three essential factors. For the realization of control algorithm for dynamic biped walking, firstly, we summarize essential sensory devices for walking control and their effective uses. We define walking stages by dividing the standard waling patterns into five stages according to the movement of the robot. Secondly, three kinds of walking strategies (Walking pattern control strategy, Real-time balance control strategy and Predicted motion control strategy) are proposed with their objectives. In each control strategy, several online controllers are designed suitably through experiments and simple physical models in accordance with an objective of control strategy and the walking stages.
In the latter half of the thesis, online controllers are planned in the five walking stages and the framework of walking control algorithm is accomplished. The effectiveness and the performance of the algorithm are proved through dynamic biped walking experiments on the uneven ground and stairs. Furthermore, vision guided walking experiments are carried out in order to achieve the intelligent autonomous biped walking.
본 논문은 이족 보행에 관한 전반적인 이해와 인간형 이족 로봇의 걸음새 생성 및 보행 제어 알고리즘의 구축에 대해서 서술하고 있다. 이족 보행이란 두 개의 다리만을 이용한 이동 수단으로써 사족 보행 및 더 많은 다리를 이용한 이동 수단보다 훨씬 더 단순하면서 뛰어난 이동성을 자랑한다. 반면에, 이족 보행은 한발 지지의 연속적인 현상에 의해 기본적으로 불안정한 동적 특성을 가지고 있다. 따라서 이러한 불안정성을 극복하며 안정하게 걷기 위해서는 뛰어난 제어 기술과 감각 기관이 필요하며 인간과 같이 지능이 뛰어난 동물도 1, 2년의 기간을 통해 이족 보행을 터득하는 것을 알 수 있다.
이미 일본을 중심으로 많은 대학과 연구기관 그리고 기업체에서 인간형 이족 로봇을 개발해왔다. 대표적으로 HONDA 사의 ASIMO, 와세다 대학의 WAVIAN, 동경대학의 H-7, SONY 사의 QRIO, AIST 의 HRP-2 그리고 TOYOTA 사의 PARTNER 등이 있다. 이러한 인간형 로봇의 주된 관심사는 기본적으로 원활한 이족 보행의 구현이며, 더 나아가 인공 지능을 기반으로 한 인간과의 상호 작용에 있다. 이러한 로봇들은 이미 안정한 이족 보행을 실현하고 있으며, 각 연구 그룹들은 나름대로의 로봇 플랫폼 설계기술, 센서 기술, 걸음새 생성법, 동적 보행 제어 전략들을 계속적으로 개발해왔으며 많은 연구 성과를 수행하였다. 따라서 논문의 전반부에는 지금까지 개발되어온 이족 로봇들의 특징들과 걸음새 생성 및 보행 제어 기법들에 대해서 소개하였다.
이족 로봇을 걷게 하기 위해서는 우선적으로 인간의 걸음새를 모방하고 동적으로 이해하여야 한다. 따라서 정적 보행과 동적 보행의 특징과 보행 안정성을 판단할 수 있는 기준인 COM (Center of Mass) 와 ZMP (Zero Moment Point) 에 대해서 알아보았다. 또한 이족 보행의 동적 특성의 이해를 위한 간단한 도립 진자 모델을 제시하였고 이를 이족 로봇과 비유하여 설명하였다. 다음으로, 본 논문의 실험 로봇으로써 개발중인 인간형 이족 로봇 KHR-2 와 KHR-3 (HUBO) 의 설계 사상, 시스템의 집성 그리고 하드웨어 및 소프트웨어 아키텍쳐에 대해서 소개하였다.
논문의 중반부에는 우선 KHR-2 의 부드러운 움직임을 위한 위치 제어 구조를 확립하였고, 인간의 실제 보행 움직임과 단순 도립 진자의 동적 특성 그리고 역 기구학식의 해를 고려하여 걸음새 생성을 위한 세가지 요소를 정의하였다. 이러한 세가지 요소를 기반으로 하여 인간형 로봇들에게 필요한 적절한 여러 가지 종류의 기준 보행 패턴을 설계하였다.
다음으로, 동적 이족 보행 제어 알고리즘의 구현을 위해, 첫째로 보행 제어에 필요한 센서들과 효과적인 사용에 대해 단계적으로 정리하였으며, 기준 보행 패턴을 로봇의 움직임에 따라 5가지 단계로 나눔으로써 로봇을 단계적으로 동적 특성을 파악하였다. 둘째로, 세가지 보행 제어 전략 즉, 보행 패턴 제어 전략, 실시간 균형 제어 전략 그리고 예측된 움직임 제어 전략들을 확립하며, 각각의 제어 방식안에서 그 목적과 용도에 맞는 적절한 여러 가지 온라인 제어기들을 실험과 간단한 동적 모델을 통한 이론을 바탕으로 설계하였다. 셋째로, 이러한 온라인 제어기들을 5가지 보행 단계에 따라 적절히 수행되도록 계획하여, 보행 제어 알고리즘의 틀을 완성하였다.
논문의 후반부에는 인간형 이족 로봇의 보행의 구현을 위한 로봇 구동 프로그램과 실시간 움직임 제어 프로그램을 개발하였고, 평평하지 않은 생활 환경에서의 일반 바닥 및 계단에서 다양한 동적 보행 실험을 통하여 성능과 효용성을 입증하였다. 또한 인간형 로봇의 지능적인 자율 보행을 위하여 비젼 시스템을 이용한 비젼 가이드 보행을 성공적으로 수행함으로써, 비젼 시스템의 응용으로부터 인간형 이족 보행 로봇의 지능을 높일 수 있는 가능성을 보여주었다.
