Divergent Component of Motion
- Detto anche: DCM, extrapolated center of mass, XCoM
- Categoria: Control › Locomotion control
- Tag: bipedal-locomotion, balance, humanoids, legged-robots, reduced-order-models
La parte instabile della dinamica del centro di massa di un robot che cammina, che combina posizione e velocità in un unico punto da controllare per mantenere il robot in equilibrio.
Definizione
Componente divergente del moto (DCM) (divergent component of motion) indica una grandezza usata nel controllo dell'equilibrio dei robot con gambe che isola la parte instabile della dinamica del centro di massa (CoM). Per il modello del pendolo inverso lineare è definita come ξ = x + ẋ/ω, cioè la posizione del CoM più la sua velocità divisa per la frequenza naturale del pendolo ω = √(g/z), dove z è l'altezza del CoM.
Scrivere la dinamica in termini della DCM scompone un sistema del secondo ordine in due sistemi del primo ordine. Il CoM è attratto dalla DCM, ẋ = −ω(x − ξ), e questo è stabile: il CoM semplicemente la segue. La DCM è spinta lontano dal centro di pressione, ξ̇ = ω(ξ − p), e questo è instabile. Un controllore deve quindi solo tenere sotto controllo la DCM posizionando in modo opportuno il centro di pressione o il passo successivo, e il CoM segue da sé.
Nel pendolo inverso lineare piano, la DCM coincide con il capture point istantaneo descritto da Pratt e colleghi, il punto in cui il robot dovrebbe appoggiare il piede per fermarsi, e con il centro di massa estrapolato usato da Hof negli studi sull'equilibrio umano. Englsberger, Ott e Albu-Schäffer hanno usato la DCM per il controllo tridimensionale della camminata bipede, introducendo il virtual repellent point e l'enhanced centroidal moment pivot affinché la formulazione gestisca anche il moto verticale del CoM.
I controllori basati sulla DCM di solito pianificano una traiettoria di riferimento della DCM a ritroso a partire dall'ultimo passo, poi usano la retroazione sull'errore misurato della DCM per regolare il centro di pressione comandato. Poiché agiscono su un'unica grandezza del primo ordine, sono semplici da implementare e da tarare.
Perché è importante
La DCM riduce il controllo dell'equilibrio alla guida di un singolo punto, rendendo i controllori della camminata più semplici e robusti. Offre anche una verifica intuitiva dell'equilibrio: se la DCM esce dalla regione che i piedi possono raggiungere o sostenere, il robot deve fare un passo o cadrà.
Applicazioni principali
- Controllo della camminata in tempo reale per robot umanoidi
- Recupero dalle spinte e adattamento dei passi
- Valutazione dell'equilibrio negli esoscheletri e negli studi sul movimento umano
- Generazione di traiettorie di riferimento per la camminata su più passi
In pratica
Un team di umanoidi che usa la camminata basata sulla DCM prima pianifica i passi, poi calcola una traiettoria di riferimento della DCM che termina in quiete sopra l'appoggio finale e attraversa l'area di appoggio a ogni passo. A ogni ciclo di controllo il controllore stima posizione e velocità del CoM, calcola la DCM misurata e sposta il centro di pressione desiderato in proporzione all'errore della DCM; un controllore del corpo intero lo converte in coppie ai giunti. I ricercatori di esoscheletri e riabilitazione usano la stessa grandezza per giudicare quanto una persona sia vicina a perdere l'equilibrio.
Idee sbagliate comuni
- La DCM è un punto fisico del robot — è una grandezza calcolata che combina posizione e velocità del CoM e può trovarsi fuori dal corpo
- Controllare direttamente il CoM equivale a controllare la DCM — la DCM separa la parte instabile, quindi un controllore che agisce su di essa gestisce l'equilibrio in modo più diretto
- La DCM e il capture point sono idee non collegate — nel pendolo inverso lineare piano il capture point istantaneo e la DCM coincidono
Chi dovrebbe saperlo
- Ingegneri della locomozione di umanoidi e bipedi
- Ricercatori di esoscheletri e robotica riabilitativa
- Ricercatori di controlli che lavorano su equilibrio e recupero dalle spinte
Tecnologie correlate
- Pendolo inverso lineare (Linear Inverted Pendulum)
- Capture Point
- Punto a momento nullo (Zero Moment Point, ZMP)
- Controllo del corpo intero (Whole-Body Control)
- Controllo predittivo basato su modello (Model Predictive Control)
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