Divergent Component of Motion
- También llamado: DCM, extrapolated center of mass, XCoM
- Categoría: Control › Locomotion control
- Etiquetas: bipedal-locomotion, balance, humanoids, legged-robots, reduced-order-models
La parte inestable de la dinámica del centro de masa de un robot que camina, que combina posición y velocidad en un único punto que debe controlarse para mantener el robot en equilibrio.
Definición
Componente divergente del movimiento (DCM) (divergent component of motion) se refiere a una magnitud usada en el control del equilibrio de robots con patas que aísla la parte inestable de la dinámica del centro de masa (CoM). Para el modelo del péndulo invertido lineal se define como ξ = x + ẋ/ω, la posición del CoM más su velocidad dividida por la frecuencia natural del péndulo ω = √(g/z), donde z es la altura del CoM.
Escribir la dinámica en términos del DCM divide un sistema de segundo orden en dos de primer orden. El CoM es atraído hacia el DCM, ẋ = −ω(x − ξ), lo cual es estable: el CoM simplemente lo sigue. El DCM es empujado lejos del centro de presiones, ξ̇ = ω(ξ − p), lo cual es inestable. Por tanto, un controlador solo necesita mantener el DCM bajo control colocando adecuadamente el centro de presiones o el siguiente paso, y el CoM se ocupa de sí mismo.
En el péndulo invertido lineal plano, el DCM coincide con el punto de captura instantáneo descrito por Pratt y sus colaboradores, el punto en el que el robot tendría que pisar para detenerse, y con el centro de masa extrapolado que usa Hof en los estudios del equilibrio humano. Englsberger, Ott y Albu-Schäffer usaron el DCM para el control tridimensional de la marcha bípeda, introduciendo el punto repelente virtual y el pivote de momento centroidal mejorado para que la formulación también tenga en cuenta el movimiento vertical del CoM.
Los controladores basados en el DCM suelen planificar una trayectoria de referencia del DCM hacia atrás a partir del último paso, y después usan realimentación sobre el error medido del DCM para ajustar el centro de presiones ordenado. Como actúan sobre una única magnitud de primer orden, son sencillos de implementar y de ajustar.
Por qué importa
El DCM reduce el control del equilibrio a dirigir un único punto, lo que hace que los controladores de marcha sean más sencillos y robustos. También ofrece una prueba intuitiva del equilibrio: si el DCM sale de la región que los pies pueden alcanzar o sostener, el robot debe dar un paso o se caerá.
Aplicaciones clave
- Control de la marcha en tiempo real para robots humanoides
- Recuperación ante empujones y ajuste de los pasos
- Evaluación del equilibrio en exoesqueletos y estudios del movimiento humano
- Generación de trayectorias de referencia para la marcha de varios pasos
En la práctica
Un equipo de humanoides que usa marcha basada en el DCM primero planifica los pasos y después calcula una trayectoria de referencia del DCM que termina en reposo sobre el apoyo final y pasa por el área de apoyo en cada paso. En cada ciclo de control, el controlador estima la posición y la velocidad del CoM, calcula el DCM medido y desplaza el centro de presiones deseado en proporción al error del DCM; un controlador de cuerpo completo lo convierte en pares articulares. Los investigadores en exoesqueletos y rehabilitación usan la misma magnitud para juzgar lo cerca que está una persona de perder el equilibrio.
Ideas erróneas comunes
- El DCM es un punto físico del robot — es una magnitud calculada que combina la posición y la velocidad del CoM y puede quedar fuera del cuerpo
- Controlar directamente el CoM es lo mismo que controlar el DCM — el DCM separa la parte inestable, por lo que un controlador que actúa sobre él gestiona el equilibrio de forma más directa
- El DCM y el punto de captura son ideas no relacionadas — en el péndulo invertido lineal plano, el punto de captura instantáneo y el DCM coinciden
Quién debería saberlo
- Ingenieros de locomoción de humanoides y bípedos
- Investigadores en exoesqueletos y robótica de rehabilitación
- Investigadores en control que trabajan en el equilibrio y la recuperación ante empujones
Tecnologías relacionadas
- Péndulo invertido lineal (Linear Inverted Pendulum)
- Punto de captura (Capture Point)
- Punto de momento cero (Zero Moment Point, ZMP)
- Control de cuerpo completo (Whole-Body Control)
- Control predictivo basado en modelo (Model Predictive Control)
Términos relacionados
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