Development of a humanoid lower-body with proximal actuation and transmission

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With increasing interest in torque-controlled humanoid locomotion, recent studies have emphasized the importance of mechanical transparency, low reflected inertia, and accurate proprioceptive feedback for achieving stable and versatile walking. However, many existing humanoid platforms still rely on distal actuation and high-reduction transmissions to achieve sufficient joint torque, which significantly increase leg mass and inertia. As a result, these systems often violate the assumptions of model-based controllers such as Single-Rigid-Body Dynamics (SRBD) based Model Predictive Control (MPC) and Whole-Body Control (WBC), limiting their practical deployment on real hardware and pushing locomotion research toward predominantly learning-based approaches.

This thesis presents the design, development, and experimental validation of a human-scale humanoid lower-body platform that addresses these limitations through semi-proximal actuation and low-ratio quasi-direct-drive (QDD) actuators. The proposed system adopts a five-degree-of-freedom leg configuration incorporating a timing-belt knee transmission and a compact four-bar ankle linkage. This architecture reduces distal mass and reflected inertia while preserving independent joint control, high torque transparency, and human-like kinematic range of motion within a mechanically simple and robust structure.

The proposed lower-body was evaluated through comprehensive mechanical analysis and hardware experiments. Centroidal inertia isotropy analysis demonstrated that the semi-proximal layout reduces posture-dependent inertia variation by more than an order of magnitude compared with a collocated configuration. Quantitative human–robot comparison confirmed that the design preserves anthropometric proportions while substantially reducing normalized non-sagittal inertia. Joint-level experiments verified high-fidelity torque control with position tracking errors below 0.009 rad and negligible phase lag. Dynamic walking experiments using inertia-adaptive MPC and WBC achieved stable locomotion, yielding a Cost of Transport of 0.85 at 0.20 m/s, while a learning-based controller achieved a comparable Cost of Transport of 0.81 at 0.33 m/s.

These results demonstrate that the proposed humanoid lower-body provides a lightweight, low-inertia, and torque-transparent mechanical foundation that supports both model-based and learning-based locomotion controllers. The platform establishes a practical experimental basis for future research on torque-controlled humanoid walking and full-body humanoid system integration.

국문 초록 (Abstract)

최근 토크 제어 기반 휴머노이드 보행에 대한 관심이 증가함에 따라, 안정적이고 범용적인 보행을 구현하기 위해서는 기계적 투명성, 낮은 반사 관성, 그리고 정확한 고유감각 피드백이 필수적임이 강조되고 있다. 그러나 기존의 많은 휴머노이드 플랫폼은 충분한 관절 토크를 확보하기 위해 원위부 구동과 고감속 기어를 사용하고 있으며, 이로 인해 다리의 질량과 관성이 크게 증가한다. 그 결과, 이러한 시스템은 SRBD 기반 모델 예측 제어(MPC)나 전신 제어(WBC)와 같은 모델 기반 제어기의 가정을 만족하지 못하고, 실제 하드웨어에서의 적용이 제한되며, 보행 제어 연구가 주로 학습 기반 접근법에 의존하게 되는 한계를 가진다.

본 논문에서는 이러한 한계를 극복하기 위해, 사람 크기의 휴머노이드 하체를 대상으로 반원위 구동(semi-proximal actuation)과 저감속비 준직결 구동기(quasi-direct drive, QDD)를 적용한 설계, 제작, 그리고 실험적 검증을 제시한다. 제안된 시스템은 5자유도 다리 구조를 기반으로 하며, 무릎 관절에는 타이밍 벨트 구동을, 발목 관절에는 컴팩트한 4절 링크 메커니즘을 적용하였다. 이를 통해 원위부 질량과 반사 관성을 효과적으로 감소시키는 동시에, 관절 간 독립성, 높은 토크 투명성, 그리고 인간과 유사한 관절 가동 범위를 기계적으로 단순하고 견고한 구조 내에서 달성하였다.

제안된 하체 플랫폼은 기계적 분석과 하드웨어 실험을 통해 종합적으로 평가되었다. Centroidal inertia isotropy 분석 결과, 반원위 구동 구조는 직접 구동 방식 대비 자세에 따른 관성 변화량을 한 자릿수 이상 감소시킴을 확인하였다. 또한 인간-로봇 비교 분석을 통해 인체 비율을 유지하면서도 비시상면 방향의 정규화 관성이 크게 감소함을 검증하였다. 단일 관절 실험에서는 위치 추종 오차가 0.009 rad 이하이고 위상 지연이 거의 없는 토크 제어 성능을 확인하였다. 보행 실험에서는 관성 적응형 MPC와 전신 제어를 통해 안정적인 보행을 달성하였으며, 0.20 m/s 보행 속도에서 Cost of Transport는 0.85로 측정되었다. 또한 강화학습 기반 제어기는 0.33 m/s의 더 높은 속도에서도 0.81의 유사한 Cost of Transport를 기록하였다.

이러한 결과는 제안된 휴머노이드 하체가 경량 구조, 낮은 관성, 그리고 높은 토크 투명성을 동시에 만족하는 기계적 기반을 제공하며, 모델 기반 및 학습 기반 보행 제어기 모두를 효과적으로 지원할 수 있음을 보여준다. 본 플랫폼은 향후 상체를 결합하여 전신 휴머노이드로 활용될 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• 1 Introduction 1
• 1.1 Background and Motivation 1
• 1.2 Related Works 4
• 1.2.1 Survey of Humanoid Robots 4
• 1.2.2 Comparison of Design Strategies 11
• 1.2.2.1 Actuator Type Comparison: Direct Drive, Geared Motor, SEA, and QDD 12
• 1.2.2.2 Layout Comparison: Collocated, Semi-Proximal, and Proximal Actuation 17
• 1.2.2.3 Transmission Mechanism Comparison: Cable, Timing Belt, and Four-Bar Linkage 24
• 1.3 Research Objectives 28
• 2 Hardware Design 31
• 2.1 Introduction 31
• 2.2 Conceptual Design 33
• 2.2.1 Configuration and Specifications 33
• 2.2.2 Required Torque Analysis 39
• 2.3 Detailed Leg Design 46
• 2.3.1 Actuation and Transmission Design 46
• 2.3.2 Leg Assembly 59
• 2.4 Detailed Torso Design 63
• 2.4.1 Configuration and Layout Design 63
• 2.4.2 Torso Assembly 71
• 2.5 Fabrication of the Humanoid Lower-Body 73
• 2.6 Summary 77
• 3 Mechanism Analysis and Experimental Validation 79
• 3.1 Introduction 79
• 3.2 Mechanism Analysis 81
• 3.2.1 Centroidal Inertia Isotropy Analysis 81
• 3.2.2 Comparison with Human Lower-Limb 88
• 3.3 Experimental Validation 98
• 3.3.1 Experimental Setup 98
• 3.3.2 Trajectory Tracking Experiments 101
• 3.3.3 Transmission Accuracy 105
• 3.3.4 Walking Efficiency 110
• 3.4 Summary 120
• 4 Conclusions 122
• Bibliography 125
• 국문요약 129