In this thesis, natural walking trajectory of the biped robot based on a vertical hip motion is described. According to recent researches in the field of biotechnology, the bipedalism of mankind is evolved in an energy efficiency manner. Biped robots are also developed into more human-like in every point. So, we think that if biped robots walk more naturally, it is also energy efficient way.
These days, most of the biped robots walk with fixed height of their hip because of the problem of stability based on the zero moment point concept. But when human walks, there exists a vertical motion of their hip. Thus, we propose a natural walking trajectory of the biped robot ensuring stability.
It is important for a biped robot to move their hip position in a vertical axis for more natural walking. We assume that the vertical hip motion of the biped robot is a kind of trigonometric function and find the trajectories of hip based on ZMP by a numerical method. And joint torque equation was solved using jacobian matrix to find the absolute total torque during walking. As a result of suggested pattern, energy consumption is reduced by more than 5.9% compared to the case without vertical hip motion. So human-like walking means energy efficient walking. In addition, we confirm that it is more energy efficient as the length of walking stride is longer.
The implementation of the biped robot is described to show the simulation result. We developed a biped robot which has 12 degree of freedom with its lower body. It is controlled by embedded board built in real time operating system(RTAI) based on xscale processor. Throughout the experiment, we confirmed that the biped robot considering its vertical hip motion walks more naturally and energy efficient compared to the conventional walking.
본 논문에서는 이족 로봇의 힙의 수직 모션에 기반한 자연스러운 걸음새에 관한 연구를 하였다. 최근의 연구결과에 따르면 인간의 이족 보행이 에너지 측면에서 유리하게 진화를 해왔다. 이족 로봇 또한 모든 면에서 좀 더 인간다워지기 위한 연구가 계속 되고 있다. 따라서 이족 로봇이 좀 더 인간답게 걷는다면 에너지 측면에서도 유리할 것 이라는 생각을 할 수 있다.
오늘날 대부분의 이족 로봇은 ZMP에 기반한 안정성의 문제로 힙의 수직 방향으로의 모션은 존재하지 않는다. 하지만 인간이 걸을 때는 힙의 수직 모션이 존재하게 된다. 따라서 안정성을 보장하면서 이족 로봇의 힙의 수직 모션을 고려한 자연스러운 걸음걸이를 제안하도록 한다.
이족 로봇의 힙의 수직 모션은 자연스러운 걸음을 위해서 중요한 요소라고 할 수 있다. 힙의 수직 모션을 일종의 삼각함수라고 가정을 하고 수치적인 방법을 통해서 ZMP에 기반한 경로를 계획할 수 있다. 그리고 자코비안 행렬을 이용하여 각 관절에서 발생하는 전체 토크를 구할 수 있다. 제안된 방법을 통해서 힙의 수직 모션이 존재할 경우 그렇지 않은 경우에 비해 약 5.9%의 토크 효율적임을 확인하였다. 따라서 인간다운 걸음새가 에너지 효율적인 걸음이라고 할 수 있었다.
실험을 위해 하체에 12자유도를 가지는 로봇을 구현하였다. 실시간 운영체제가 탑재된 임베디드 보드를 이용하였으며, 실험을 통해서 시뮬레이션 결과를 확인하였다.
