A stable walking pattern generation method for a biped robot is presented in this paper. In general, the ZMP (zero moment point) equations, which are expressed as differential equations, are solved to obtain a stable walking pattern. However, the number of differential equations is less than that of unknown coordinates in the ZMP equations. It is impossible to integrate the ZMP equations directly since one or more constraint equations are involved in the ZMP equations. To overcome this difficulty, DAE (differential and algebraic equation) solution method is employed. The proposed method has enough flexibility for various kinematic structures. Walking simulation for a virtual biped robot is performed to demonstrate the effectiveness and validity of the proposed method. The method can be applied to the biped robot for stable walking pattern generation.
In this research, a stable walking pattern generation method for a biped robot is presented. A biped robot is considered as constrained multibody system by several kinematic joints. The proposed method is based on the optimized polynomial approximation of the trunk motion along the moving direction. Foot motions can be designed according to the ground condition and walking speed. To minimize the deviation from the desired ZMP, the trunk motion is generated by the fifth order polynomial approximation. Walking simulation for a virtual biped robot is performed to demonstrate the effectiveness and validity of the proposed method. The method can be applied to the biped robot for stable walking pattern generation.
본 논문에서는 기구학을 이용한 이족보행 로봇의 보행패턴 생성방법을 살펴본다. 2족 보행로봇이 3차원 공간상에서 모든 동작 및 보행이 가능하기 위해 필요한 자유도는 각 다리별로 6자유도이다. 따라서 본 논문에서는 로봇의 보행을 위해 간략화된 보행로봇의 구조를 살펴보고 발목의 경로를 설정한 후 기구학을 이용하여 조인트 각도를 파악하여 생성한다. 또한 로봇의 기구 해석을 위해 한쪽 다리의 조인트들에 대해 좌표계를 설정하였다. 조인트 각도를 역기구학을 이용하면 로봇의 보행 패턴을 생성할 수 있다. 최종적으로 발목의 궤적 설정과 이를 통한 보행 패턴 생성 과정을 살펴보기로 한다.
Previous walking pattern generation methods could generate walking patterns that allow only straight walking on flat and uneven terrain. They were unable to generate modifiable walking patterns whereby the sagittal and lateral step lengths and walking direction can be changed at every footstep. This paper proposes a novel walking pattern generation method to realize modifiable walking of humanoid robots on unknown uneven terrain. The proposed method employs a walking pattern generator based on the 3-D linear inverted pendulum model (LIPM), which enables a humanoid robot to vary its walking patterns at every footstep. A control strategy for walking on unknown uneven terrain is proposed. Virtual spring-damper (VSD) models are used to compensate for the disturbances that occur between the robot and the terrain when the robot walks on uneven terrain with unknown height. In addition, methods for generating the foot and vertical center of mass (COM) of the 3-D LIPM trajectories are developed to realize stable walking on unknown uneven terrain. The proposed method is implemented on a small-sized humanoid robot platform, DARwIn-OP and its effectiveness is demonstrated experimentally.
To accommodate various navigational commands, a humanoid should be able to change its walking motion in real time. Using the modifiable walking pattern generation (MWPG) algorithm, a humanoid can handle dynamic walking commands by changing its walking period, step length, and direction independently. If the humanoid is given a command to perform an infeasible movement, the algorithm substitutes the infeasible command with a feasible one using binary search. The feasible navigational command is subsequently translated into the desired center-of-mass (CM) state. Every sample time CM reference is generated using a zero-moment-point (ZMP) variation scheme. Based on this algorithm, various complex walking patterns can be generated, including backward and sideways walking, without detailed consideration of the feasibility of the navigational commands. In a previous study, the effectiveness of the MWPG algorithm was verified by dynamic simulation. This paper presents experimental results obtained using the small-sized humanoid robot platform DARwIn-OP.
In order to accomplish complex navigational commands, humanoid robot should be able to modify its walking period, step length and direction independently. In this paper, a novel walking pattern generation algorithm is proposed to satisfy these requirements. Modification of the walking pattern can be considered as a transition between two periodic walking patterns, which follows each navigational command. By assuming the robot as a linear inverted pendulum, the equations of motion between ZMP(Zero Moment Point) and CM(Center of Mass) state is easily derived and analyzed. After navigational command is translated into the desired CM state, corresponding CM motion is generated to achieve the desired state by using simple ZMP functions. Moreover, when the command is not feasible, feasible command is alternated by using binary search algorithm. Subsequently, corresponding CM motion is generated. The effectiveness of the proposed algorithm is verified by computer simulation.
The modifiable walking pattern generation (MWPG) algorithm can handle dynamic walking commands by changing the walking period, step length, and direction independently. When an infeasible command is given, the algorithm changes the command to a feasible one. After the feasibility of the navigational command is checked, it is translated into the desired center of mass (CM) state. To achieve the desired CM state, a reference CM trajectory is generated using predefined zero moment point (ZMP) functions. Based on the proposed algorithm, various complex walking patterns were generated, including backward and sideways walking. The effectiveness of the patterns was verified in dynamic simulations using the Webots simulator.
과거부터 로봇의 실생활 활용에 관한 연구가 지속됨에 따라 현대사회에서 이전까지의 실험 환경에서 벗어나 사회 각 분야로의 진출이 지속적으로 시도 되고 있다. 하지만 로봇이 실제 환경에 적용되기 위해서 기존의 로봇 플랫폼 상용화의 가장 큰 단점으로 꼽히는 생산 비용과 인간 기준의 작업환경에서의 적응성 문제가 선결되어야 한다. 본 논문에서는 사람의 자유도와 크기를 따르는 이족보행 형태의 로봇을 제안하였으며, 엔코더를 포텐셔미터 접목모듈로 대체하여 높은 생산 단가를 절감하고, 파트 교체가 쉬운 모듈형 설계를 채택하여 로봇의 유지 보수비용을 절감 하였다. 최종적으로 크기와 모터의 배열이 다른 두 가지의 더미로봇에 보행패턴을 적용하여 안정성을 검증하였고, 본 논문에서는 제작된 실제 로봇들을 이용한 보행 패턴을 적용 및 보행 실험을 통하여 제안한 이족보행 로봇 적용가능성을 검증하였다.
One of the most important functions of a biped robot is to walk naturally like human. For the human being, toe is very important joint in order to walk naturally. Thus, for a biped robot, the existence of toe joint much affects gait pattern generation and contributes to natural walking, which is similar to the human gait or faster walking like running. Since a conventional biped robot has the feet which consist of soles without toes, it seems difficult to walk naturally. For realizing the gait to be similar to human one, toes are necessary to the biped robot. In this paper, the effect of the toe joint for gait pattern generation is studied. In order to find the effect of toe joint, a biped r...
This paper presents optimal walking trajectory generation for a quadruped robot with genetic-fuzzy algorithm. In order to move a quadruped robot smoothly, both generations of optimal leg trajectory and free walking are required. Generally, making free walking is difficult to realize for a quadruped robot, because the patterned trajectory may interfere in the free walking. In this paper, we suggest the generation method for the leg trajectory satisfied with free walking pattern so as to avoid obstacle and walk smoothly. We generate via points of leg with respect to body motion, and then we use the genetic-fuzzy algorithm to search for the optimal via velocity and acceleration information of legs. All these methods are verified with PC simulation program, and implemented to SERO-V robot.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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