This thesis describes the realization of the stretched leg walking of a biped humanoid robot. Several humanoid robots such as ASIMO, HRP and HUBO have imitated the walking of a human, but the walking of those robots differs from that of a human in that the robots bend the knee excessively when walking. There are several reasons why humanoid robots walk with bent a knee. Bent-knee walking has several advantages; it is easy to generate a walking pattern with this style of walking, and this type is more stable compared to stretched leg walking. However, stretched leg walking is more efficient and appears more natural than bent-knee walking. Thus, this paper suggests the generation of a stretched leg walking pattern and a stabilization algorithm for walking.
In the beginning of this thesis, the advantages of stretched leg walking compared to conventional bent-knee walking in addition to the generation of the walking pattern are described. Though stretched leg walking has several drawbacks, including its short double support time, large landing impact and a singular problem when generating the walking pattern, it is more efficient walking in a view point of energy because there is no excessive load on the knee joint. Moreover, it appears more natural than bent-knee walking. In order to verify the proposed walking pattern, a platform called as the Walking Guide Platform (WGP) was developed. The WGP helps a robot move in the sagittal plane without disturbances. With the aid of the WGP, it is possible for a robot to walk without stabilization. In a comparison of the walking energy of both walking patterns in which the current was measured, it was found that stretched leg walking is more efficient than bent-knee walking.
Later in this thesis, a stabilization algorithm that can maintain the stability of a humanoid robot is described. Stabilization algorithm is divided into two types of controller. The first is a dynamic balancing controller that maintains the posture in real-time, and the second is a landing position controller that modifies the landing position of every step. The balancing controller is composed of a posture controller and a ZMP controller. The posture controller maintains the posture, as measured by the inclination angle of the upper body, and the ZMP controller allows the robot to land smoothly and reduces the oscillation that occurs when external disturbances are applied to the robot when standing. There are two types of landing position controller. The walking balancing control changes the landing position gradually so that it offsets the error of the initial pose of the robot. The landing height control changes the landing position when there is locally uneven ground allowing the robot to walk.
Finally, the walking experiments are described. Using the proposed walking pattern and the stabilization, stretched leg walking is realized in the biped humanoid robot known as HUBO. HUBO was shown to be able to walk in all directions with stretched leg walking.
본 논문은 이족 보행에 대해 사람처럼 다리를 펴고 걸을 수 있도록 하는 보행 패턴의 생성과 안정화 기법을 제시하여 stretched leg walking을 구현하는 것을 기술하고 있다. 현재까지 ASIMO, HRP, HUBO등 많은 이족 보행 로봇들이 사람의 보행을 모사하고 있지만, 사람의 보행과는 달리 무릎을 과도하게 굽히고 걷는다. 기존의 로봇들이 무릎을 굽히고 걷는 bent-knee walking을 하게 된 것은 패턴 생성이 용이하다는 것과 보행시 안정성을 높일 수 있는 장점을 지니고 있기 때문이다. 하지만 이러한 bent knee walking의 경우는 stretched leg walking에 비해서 에너지가 많이 들고 부자연스러워 보이는 단점이 있다. 이에 본 논문에서는 다리를 펴고 걸을 수 있도록 패턴을 생성하는 방법과 안정화 기법을 소개하였다.
논문의 초반부에서는 stretched leg walking이 기존의 bent knee walking과 비교해서 지니고 있는 장단점을 설명하고, 패턴을 생성하는 방법에 대한 기술을 하였다. Stretched leg walking의 경우는 bent knee walking에 비해서 양발 지지 기간도 짧고, 착지시 충격이 큰 단점을 지니고 있고, 패턴 생성시 singularity의 문제 등의 단점을 지니고 있지만, 무릎을 굽히지 않기 때문에 불필요한 하중이 발생하지 않아서, 에너지 소모 측면에서 효율적인 보행이 되고, 보기에도 자연스러운 모습으로 걷는 장점을 지니고 있다.
생성된 보행 패턴의 검증을 위해서, 외란의 영향을 배제할 수 있도록 WGP를 설계하여 이용하였다. WGP는 Sagittal plane에서만 구동이 가능하도록 하고, 제한된 공간에서 반복 실험이 가능토록 하였다. 또한 WGP를 이용하여 bent knee walking과 stretched leg walking에 대해서 동일 보폭에 대해서 전류 소모 정도를 통해서 효율적인 보행이 이루어지는 것을 입증하였다
중반부에서는 생성된 패턴을 휴머노이드 로봇에 적용했을 때 로봇이 안정된 상태를 유지할 수 있도록 하는 stabilization에 대한 기술을 하였다. 제어 알고리즘은 크게 두 부분으로 나누었다. 로봇의 자세를 실시간으로 유지하는 Dynamic balancing control과 매 스텝마다 착지점의 위치를 변화시키는 Landing position control으로 구성하였다. Dynamic balancing control에는 보행 중 한발 지지 상태에서 로봇의 기울기를 일정하게 유지시키는 posture control과 로봇의 F/T 센서를 통해 측정된 ZMP를 조절하여, 정지 동작시 부드럽게 멈추도록 하였고, 정지해 있을 때 외란에 의한 떨림 현상을 줄이도록 하는 ZMP control이 있다. Landing position control에서는 walking balancing control을 이용하여 지면이 기울어져 있는 경우, 점진적으로 로봇의 착지점 위치를 변화시켜 지면의 기울어짐에 대해 둔감하도록 하였고, landing height control을 이용하여 지면의 불규칙적인 높이 차이가 존재하는 경우, 착지점의 위치를 변화시켜 안정된 걸음이 되도록 하였다.
제안된 방법과 안정화 알고리즘을 통해서, 다리를 편 채로 전진, 후진, 옆, 회전 걸음을 구현하였고, 전진하면서 회전하는 걸음도 구현하였다. 보행 실험을 통해서 본 논문에서 제안된 방법의 타당성을 입증하였다.
