Пассивная динамика - Passive dynamics

Пассивная динамика относится к динамическому поведению исполнительных механизмов , роботов или организмов, когда энергия не поступает из источника (например, батарей , топлива , АТФ ). В зависимости от приложения рассмотрение или изменение пассивной динамики системы с питанием может иметь серьезные последствия для производительности, в частности, для экономии энергии , стабильности и пропускной способности задач . Устройства без источника питания считаются «пассивными», и их поведение полностью описывается их пассивной динамикой.

В некоторых областях робототехники ( в частности, в робототехнике на ногах ) дизайн и более мягкий контроль над пассивной динамикой стал дополнительным (или даже альтернативным) подходом к методам управления совместным позиционированием, разработанным на протяжении 20 века. Кроме того, пассивная динамика животных представляет интерес для биомехаников и интегративных биологов , поскольку эта динамика часто лежит в основе биологических движений и сочетается с нейромеханическим контролем .

Особенно актуальные области для исследования и разработки пассивной динамики включают передвижение на ногах и манипуляции .

История

Термин и его принципы были разработаны Тэдом МакГиром в конце 1980-х годов. В то время как в Университете Саймона Фрейзера в Бернаби , Британская Колумбия , МакГир показал, что человеческое тело может спускаться по склону, не требуя мышц или двигателей. В отличие от традиционных роботов, которые расходуют энергию, используя двигатели для управления каждым движением, ранние пассивно-динамические машины МакГира полагались только на гравитацию и естественное раскачивание конечностей, чтобы двигаться вперед по склону.

Модели

Первоначальная модель пассивной динамики основана на движениях ног человека и животных. Полностью приведенные в действие системы, такие как ноги робота Honda Asimo , не очень эффективны, потому что у каждого сустава есть двигатель и узел управления. Походки, подобные человеческим, намного более эффективны, потому что движение поддерживается естественным движением ног, а не двигателями, размещенными в каждом суставе.

Пассивное динамическое моделирование пешеходов в Webots .

Статья Тэда МакГира 1990 года «Пассивная ходьба с коленями» дает отличный обзор преимуществ колен для ходьбы ног. Он ясно показывает, что колени имеют много практических преимуществ для систем ходьбы. Колени, по словам Макгира, решают проблему столкновения ступней с землей, когда нога движется вперед, а также обеспечивают большую стабильность в некоторых условиях.

Пассивная динамика является ценным дополнением к области управления, поскольку она подходит к управлению системой как к комбинации механических и электрических элементов. В то время как методы управления всегда основывались на механических действиях (физике) системы, пассивная динамика использует открытие морфологических вычислений. Морфологические вычисления - это способность механической системы выполнять функции управления.

Применение пассивной динамики

Добавление срабатывания пассивных динамических ходунков приводит к появлению высокоэффективных роботизированных ходунков. Такие ходунки могут иметь меньшую массу и потреблять меньше энергии, поскольку они эффективно ходят только с парой двигателей. Эта комбинация приводит к превосходной «удельной стоимости перевозки».

Энергоэффективность при транспортировке по ровной поверхности определяется количественно безразмерной «удельной стоимостью транспортировки», которая представляет собой количество энергии, необходимое для перевозки единицы веса на единицу расстояния. Пассивные динамические ходунки, такие как Cornell Efficient Biped, имеют такую ​​же удельную стоимость транспортировки, что и люди, 0,20. Не случайно у пассивных динамичных ходунков походка похожа на человеческую. Для сравнения, двуногий ASIMO от Honda , не использующий пассивную динамику собственных конечностей, имеет удельную стоимость транспортировки 3,23.

Текущий рекорд расстояния для шагающих роботов, 65,17 км, принадлежит компании Cornell Ranger, занимающейся пассивной динамикой.

Пассивная динамика недавно нашла свое применение в дизайне протезирования и управлении им . Поскольку пассивная динамика обеспечивает математические модели эффективного движения, это подходящий путь для развития эффективных конечностей, требующих меньше энергии для людей с ампутированными конечностями. Эндрю Хансен, Стивен Гард и другие провели обширные исследования по разработке лучшего протезирования стопы с использованием пассивной динамики.

Пассивные шагающие двуногие роботы демонстрируют различные виды хаотического поведения, например бифуркацию , прерывистость и кризис .

Смотрите также

Ссылки

Библиография

  • Тэд МакГир (апрель 1990 г.). «Пассивная динамическая ходьба». Международный журнал исследований робототехники .
  • В.А. Такер (1975). «Энергетическая стоимость передвижения». Американский ученый . 63 (4): 413–419. PMID  1137237 .
  • Стив Х. Коллинз; Мартин Виссе; Энди Руина (2001). «Трехмерный пассивный динамический шагающий робот с двумя ногами и коленями». Международный журнал исследований робототехники . 20 (7): 607–615. DOI : 10.1177 / 02783640122067561 .
  • Стив Х. Коллинз; Мартин Виссе; Энди Руина; Расс Тедрейк (2005). «Эффективные двуногие роботы на основе пассивно-динамических ходунков». Наука . 307 (5712): 1082–1085. DOI : 10.1126 / science.1107799 . PMID  15718465 .и Стив Х. Коллинз; Энди Руина (2005). «Двуногий шагающий робот с эффективной походкой, похожей на человеческую». Proc. Международная конференция IEEE по робототехнике и автоматизации .
  • Чандана Пол (2004). «Морфология и вычисления». Труды Международной конференции по моделированию адаптивного поведения : 33–38.

внешние ссылки