It is difficult for a biped robot to stably walk in various environments or disturbances. From the observation of human, ankle, and hip strategies work in combination to recover balance, a stepping strategy is triggered by a strong disturbance. In this study, we proposed a biped walking controller that optimized three push recovery strategies: the ankle, hip, and stepping strategies. We suggested formulations that related the effects of each strategy to the stability of walking based on the Linear Inverted Pendulum with Flywheel Model (LIPFM). With these relations, we could set up an optimization problem that integrates all the strategies, including step time change. These strategies are not applied hierarchically, but applied according to each weighting factor. Various combinations of weighting factors can be used to determine how the robot should respond to an external push. The optimization problem derived here includes many non-linear components, but it has been linearized though some assumptions and it can be applied to a robot in real-time. This method is designed to be robust to modeling errors or weak perturbations, by exploiting the advantages of the foot. Hence, it is very practical to apply this algorithm to a real robot. This study also presents the design and system integration of the 13-degree-of-freedom legged platform, GAZELLE. The goal is to develop a fast and reliable biped platform for walking experiments. Rapid leg movement can increase robustness in walking stability. During external push or walking on uneven ground, fast leg movement can realize an abrupt change on the landing position. The effectiveness of the walking controller has been verified through abstracted model simulation, full dynamics simulation. The practical application of algorithm has been verified through the experiments with bipedal platform GAZELLE.
2 족 보행 로봇이 다양한 환경이나 외란에서 안정적으로 걷는 것은 어려운 작업이다. 인간에 대한 관찰과 연구로부터 인간은 균형을 회복하기 위해 발목, 상체 및 스텝핑 전략을 조합적으로 작용한 다는 사실을 알 수 있다. 이 연구에서는 발목, 상체 및 스텝핑 전략의 3가지 외란 극복 전략을 최적화한 2족 보행 제어기를 제안한다. 본 연구에서는 플라이휠이 있는 선형 역진자 모델 (Linear Inverted Pendulum with Flywheel Model, LIPFM)에 기반하여 각 전략이 보행의 안정성에 어떠한 효과가 있는지에 대한 공식을 제안하였다. 각 전략과 보행 안정성 사이의 관계식을 통해 스텝핑 시간 변경을 포함하여 모든 전략을 통합하는 최적화 문제를 설정할 수 있다. 본 연구에서 제안된 알고리즘은 발목, 상체 및 스텝핑 전략을 계층적으로 적용하지 않고 각 전략의 가중치에 따라 유기적으로 사용한다. 그러므로 각 전력의 다양한 가중치 조합을 사용하면 로봇이 외란에 대응하는 방식을 결정할 수 있다. 제안된 최적화 문제는 많은 비선형 요소를 포함하지만 몇 가지 가정을 통해 선형화 시킬 수 있고 선형화 된 문제를 실시간으로 해를 구하여 로봇에 적용할 수 있다. 이 연구에서 제안된 보행 제어기는 로봇 발의 장점을 최대한 이용하여 모델링 오류 및 약한 외란에 강인하도록 설계되었다. 따라서 이 알고리즘을 실제 로봇에 적용하기 매우 용이하다. 또한, 이 연구는 13 자유도의 2족 보행 플랫폼 GAZELLE의 설계 및 시스템 통합에 대해 기술하고 있다. 설계 목표는 보행 실험을 위한 빠르고 안정적인 2족 보행 플랫폼을 개발하는 것이다. 빠른 다리 움직임은 평평하지 않은 지면에서 걷거나 외란을 받았을 때, 급격한 발의 착륙 위치의 변화에 적응할 수 있다. 연구에서 제안된 보행 제어기의 효과는 LIPFM 모델 시뮬레이션, 동역학 시뮬레이션을 통해 검증되었다. 알고리즘의 실제 작동여부는 2족 플랫폼 GAZELLE을 이용한 실험을 통해 검증되었다
