The goal in this research was to develop an optimization algorithm for a humanoid to enable it to reach a point. Simply stretching its arms, which in a humanoid are shorter than its body and legs, is not sufficient to reach an object located at some distance away or on the ground. Therefore, reachability has to be ensured by a combination of motions including kneeling and orienting the pelvis. However, many posture selection options exist because of the redundancy of a humanoid. In this research, we focused on the optimization of the posture of a humanoid that is reaching toward a point. The global optimal solution of the problem is easily obtained by searching method. But it needs too much heavy computing time. For that reason, it is evident that the optimization problem should be simplified. First, the proposed posture selection simplify the pelvis-related tasks as a kinematic model which of joints are height, pitching and yawing. And the objective function of the optimization problem is changed from full manipulability to forearm manipulability. Since the orientation singularity is escapable, it is evident that the forearm manipulability is considered for the redundant DRC-HUBO+ arm. Furthermore, the forearm manipulability can be projected to the distance from shoulder position to wrist position and the optimal distance is obtained. The optimal distance is defined as a geometric constraint for the posture optimization problem. The optimization problem minimizes the displacement from the initial posture to the reaching posture while the optimal distance is satisfied. The geometric constraint can be used to maximize or minimize other performance such as force, energy etc. The feasibility is demonstrated by many experiments of the motion planning for removal debris blocking the path that require the reaching posture for random reaching point.
이 논문 연구의 목표는 휴머노이드 로봇의 도달 자세 최적화 알고리즘을 개발 하는 것 이다. 단순한 팔 뻗음으로는 휴머노이드 로봇이 도달 가능한 공간 크기가 제한적이다. 이러한 이유로, 휴머노이드 로봇의 무릎 구부리기, 허리 비틀기 등 과 같은 고관절 운동들을 조합하여 도달 가능한 공간을 넓혀야 한다. 하지만 이 고관절 운동들은 로봇의 여유자유도 이기 때문에, 수 많은 도달 자세 결정 해가 존재한다. 이 논문에서는 휴머노이드 로봇이 주어진 목표점에 도달하기 위한 최적 자세 결정에 대해 서술한다. 최적 도달 자세의 전역 해를 구하기 위해 사용되는 서칭방법은 연산 부하가 높기 때문에, 도달 자세 결정 문제는 다음 간단화 과정을 거친다. 먼저 휴머노이드 로봇의 고관절 운동을 무릎 구부리기, 피칭 방향, 요잉 방향 허리 비틀기 총 세 가지 운동으로 정의한다. 다음으로는 특이점에서 얼마나 멀리 떨어져 있는 팔의 자세인지를 나타내어 주는 조작성 지표를 고려한 구속 조건 결정이다. 7자유도의 DRC-HUBO+ 의 팔의 탈출 불가능한 위치 특이자세는 앞단 4자유도에 의한 조작성 지표에만 관련이 있으므로, 앞단 4자유도의 조작성 지표의 최적 값 분포를 가지는 어깨 위치에서 손목 위치의 거리를 찾아낸다. 결론적으로 이 어깨-손목 거리를 만족하는 휴머노이드의 도달 자세는 팔의 모든 특이점을 가지지 않을 수 있도록 하기 때문에, 도달 자세 최적화 문제의 구속 조건으로 정의 된다. 초기 자세로부터 도달 자세로의 최단 변위 값을 가지는 최적화 문제를 구속 조건 하에서 풀어내 휴머노이드 로봇의 최적 도달 자세를 결정한다. 이를 다양한 도달 점에 대한 도달 자세를 요구하는 무작위로 배치된 진행 경로를 막고 있는 잔해 제거 치우는 동작 설계에 적용하여, 본 연구 결과의 효용성을 증명한다.
