The objective of this dissertation is the realization of running for humanoid biped having a flat-foot mechanism. For this objective, it is proposed that a running pattern generation method in off-line and designing controllers in on-line.
To generate a running pattern of a humanoid biped easily, a running pattern is generated in three ways; in the sagittal, frontal, and horizontal planes. Running pattern in the sagittal plane has to be dynamically periodic. But, since the robot has the flying phase when it hops or runs, it is difficult to generate a dynamically periodic running pattern. Therefore, a kinematical periodic pattern is generated first and then a dynamical periodic pattern is created by modifying the ankle trajectories of the previous kinematical periodic pattern. A kinematical periodic running pattern can be made various methods, but the modified resolved momentum control (Modified RMC) is used in this research. Also, a real humanoid biped which is included in a flat-foot mechanism is assumed as a virtual point-foot mechanism which of ankle joints are free. And, a dynamical periodic pattern is calculated by making a Poincare Map of the virtual point-foot mechanism during 1 step running and finding a fixed point of it. Finally, a dynamical periodic running pattern in the sagittal plane is generated by applying the pattern of the virtual point-foot mechanism. A dynamical periodic running pattern in the frontal plane is generated by the identical procedure. And, a trunk pattern in the horizontal plane is generated to eliminate the angular momentum which is caused by the movement of both legs.
Though a dynamical periodic running pattern is generated, various controllers are needed to make a stable running of humanoid biped. Therefore, designs of a posture balance controller in the sagittal plane, a transient balance controller in the frontal plane, a swing ankle compensator in the sagittal plane, and a landing position controller are proposed.
Finally, proposed methods are verified with experiments. In an experiment, humanoid bipeds known as KHR-2 and HUBO-2 ran forward and their maximum speed was 3.24 km/h. Also, they could maintain the balance against the large disturbance using a landing position controller.
이 논문의 목적은 납작한 발 메커니즘을 갖는 인간형 이족 로봇의 달리기 구현이다. 이 목적을 위해 오프라인상에서의 달리기 패턴 형성 방법과 온라인상에서의 제어기 설계방법이 제안된다.
인간형 이족 로봇의 달리기 패턴을 쉽게 생성하기 위해, 달리기 패턴은 측면, 정면, 윗면의 3가지 방법으로 나눠 생성된다. 측면에서의 달리기 패턴은 동적으로 주기적이어야 한다. 하지만, 제자리 뛰거나 달릴 때 로봇은 공중동작과정을 갖기 때문에, 동적으로 주기적인 달리기 패턴을 생성하기가 어렵다. 따라서, 처음에 기구적으로 연속적인 달리기 패턴을 생성한 뒤, 그 패턴의 발목 궤적을 수정함으로써 동적으로 주기적인 달리기 패턴을 생성한다. 기구적으로 연속적인 패턴은 다양한 방법으로 생성될 수 있지만, 이 논문에서는 변형된 RMC(Resolved Momentum Control)을 사용한다. 또한, 실제 납작한 발 메커니즘을 갖는 인간형 이족 로봇을 발목 관절이 자유로운 점 접촉 발 메커니즘을 갖는 인간형 이족 로봇으로 가정한다. 그리고 한 스탭 달리기 동안의 Poincare Map과 고정 점(fixed point)을 이용하여 측면에서의 동적으로 주기적인 달리기 패턴을 생성한다. 정면에서의 달리기 패턴은 측면에서의 달리기 패턴과 동일한 방법을 이용한다. 그리고, 윗면에서의 몸통의 패턴은 로봇의 양 발의 움직임에 의해 발생되는 회전 운동량을 제거하도록 생성된다.
비록 동적으로 주기적인 달리기 패턴이 형성될지라도 인간형 이족 로봇의 안정적인 달리기를 위해서 다양한 제어기들이 필요하다. 따라서 측면에서의 자세 균형 제어기, 정면에서의 순간 균형 제어기, 측면에서의 스윙 발목 보상기, 그리고 착지 위치 제어기에 대한 설계를 제안한다.
최종적으로, 실험을 통해 이 논문에서 제안한 방법들을 검증한다. KHR-2와 HUBO-2로 알려진 인간형 이족로봇은 실험을 통해 달렸고, 최고 속도는 3.24 km/h였다. 또한 착지 위치 제어기를 이용하여 큰 외란에 대해 균형을 유지할 수 있었다.
