Divergent Component of Motion
- 다른 이름: DCM, extrapolated center of mass, XCoM
- 카테고리: Control › Locomotion control
- 태그: bipedal-locomotion, balance, humanoids, legged-robots, reduced-order-models
걷는 로봇의 질량 중심 동역학 중 불안정한 부분으로, 위치와 속도를 하나의 점으로 결합하며, 로봇의 균형을 유지하려면 이 점을 제어해야 한다.
정의
발산 운동 성분(divergent component of motion, DCM)은 다리 로봇의 균형 제어에서 질량 중심(CoM) 동역학의 불안정한 부분을 분리해 내는 데 쓰이는 양을 말한다. 선형 역진자 모델에서는 ξ = x + ẋ/ω로 정의되며, 이는 CoM 위치에 CoM 속도를 진자의 고유 진동수 ω = √(g/z)로 나눈 값을 더한 것이다. 여기서 z는 CoM 높이이다.
동역학을 DCM으로 쓰면 2차 시스템이 두 개의 1차 시스템으로 나뉜다. CoM은 DCM으로 끌려가며(ẋ = −ω(x − ξ)), 이는 안정하다. CoM은 그저 따라간다. DCM은 압력 중심으로부터 밀려나며(ξ̇ = ω(ξ − p)), 이는 불안정하다. 따라서 제어기는 압력 중심이나 다음 발 디딤 위치를 적절히 정해 DCM만 통제하면 되고, CoM은 저절로 따라온다.
평면 선형 역진자에서 DCM은 Pratt와 동료들이 기술한 순간 캡처 포인트, 즉 로봇이 멈추려면 발을 디뎌야 하는 점과 일치하며, Hof가 인간 균형 연구에서 사용한 외삽 질량 중심과도 일치한다. Englsberger, Ott, Albu-Schäffer는 DCM을 3차원 이족 보행 제어에 사용했으며, 가상 반발점(virtual repellent point)과 향상된 중심 모멘트 피벗(enhanced centroidal moment pivot)을 도입해 이 정식화가 CoM의 수직 운동도 다룰 수 있게 했다.
DCM 기반 제어기는 보통 마지막 발 디딤에서 거꾸로 기준 DCM 궤적을 계획한 다음, 측정된 DCM 오차에 대한 피드백으로 명령 압력 중심을 조정한다. 1차 양 하나에 작용하므로 구현과 튜닝이 간단하다.
중요한 이유
DCM은 균형 제어를 하나의 점을 조종하는 문제로 줄여, 보행 제어기를 더 단순하고 강건하게 만든다. 또한 직관적인 균형 판정 기준을 준다. DCM이 발이 닿거나 지지할 수 있는 영역을 벗어나면 로봇은 발을 디뎌야 하며, 그렇지 않으면 넘어진다.
주요 응용
- 휴머노이드 로봇의 실시간 보행 제어
- 밀림 회복과 발 디딤 조정
- 외골격과 인간 움직임 연구에서의 균형 평가
- 여러 걸음 보행을 위한 기준 궤적 생성
실제 사례
DCM 기반 보행을 쓰는 휴머노이드 팀은 먼저 발자국을 계획한 다음, 마지막 지지 자세 위에서 정지 상태로 끝나고 각 걸음마다 지지 영역을 지나는 기준 DCM 궤적을 계산한다. 매 제어 주기마다 제어기는 CoM 위치와 속도를 추정하고, 측정된 DCM을 계산하고, DCM 오차에 비례해 원하는 압력 중심을 옮긴다. 전신 제어기는 이를 관절 토크로 변환한다. 외골격과 재활 연구자는 같은 양을 써서 사람이 균형을 잃기에 얼마나 가까운지 판단한다.
흔한 오해
- DCM은 로봇 위의 물리적인 점이다 — CoM 위치와 속도를 결합해 계산한 양이며 몸체 바깥에 놓일 수도 있다
- CoM을 직접 제어하는 것은 DCM을 제어하는 것과 같다 — DCM은 불안정한 부분을 분리해 내므로, DCM에 작용하는 제어기가 균형을 더 직접적으로 다룬다
- DCM과 캡처 포인트는 관련 없는 개념이다 — 평면 선형 역진자에서는 순간 캡처 포인트와 DCM이 일치한다
알아야 할 사람
- 휴머노이드와 이족 보행 엔지니어
- 외골격과 재활 로보틱스 연구자
- 균형과 밀림 회복을 연구하는 제어 연구자
관련 기술
- 선형 역진자(Linear Inverted Pendulum)
- 캡처 포인트(Capture Point)
- 영 모멘트 점(Zero Moment Point, ZMP)
- 전신 제어(Whole-Body Control)
- 모델 예측 제어(Model Predictive Control)
관련 용어
관련 프로젝트
- Extreme Parkour with Legged Robots: RL system for legged robot parkour trained in under 20 hours
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