Пассивная динамика - Passive dynamics

Пассивная динамика относится к динамическому поведению приводы, роботы, или же организмы когда не потребляет энергию из источника (например, батареи, топливо, АТФ ). В зависимости от приложения рассмотрение или изменение пассивной динамики системы с питанием может иметь серьезные последствия для производительности, особенно экономия энергии, стабильность, и задача пропускная способность. Устройства без источника питания считаются «пассивными», и их поведение полностью описывается их пассивной динамикой.

В некоторых областях робототехники (робототехника на ногах в частности), дизайн и более непринужденный контроль пассивной динамики стал дополнительным (или даже альтернативным) подходом к совместные методы управления позиционированием развивалась в течение 20 века. Кроме того, пассивная динамика животных представляла интерес для биомеханики и интегративные биологи, поскольку эта динамика часто лежит в основе биологических движений и сочетается с нейромеханический контроль.

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

История

Термин и его принципы были разработаны Тэдом МакГиром в конце 1980-х годов. Хотя в Университет Саймона Фрейзера в Бернаби, британская Колумбия МакГир показал, что человекоподобный корпус 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 силу тяжести и естественное раскачивание конечностей, чтобы двигаться вперед по склону.

Модели

Первоначальная модель пассивной динамики основана на движениях ног человека и животных. Полностью управляемые системы, такие как ножки Honda Asimo робот, не очень эффективны, потому что каждое соединение имеет 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 ходунка в Webots.

Статья Тэда МакГира 1990 года «Пассивная ходьба на коленях»[1] 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 устойчивость 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.[2] Морфологические вычисления - это способность механической системы выполнять функции управления.

Применение пассивной динамики

Добавление срабатывания пассивных динамических пешеходов 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.[3] Пассивные динамические ходунки, такие как Корнелл Эффективное двуногие[4] имеют такую ​​же удельную стоимость транспортировки, что и люди, 0,20. Не случайно у пассивных динамичных ходунков походка похожа на человеческую. Для сравнения, двуногий Honda ASIMO, который не использует пассивную динамику собственных конечностей, имеет удельную стоимость транспортировки 3,23.[5]

Текущий рекорд расстояния для шагающих роботов, 65,17 км, принадлежит компании Cornell Ranger, занимающейся пассивной динамикой.[6]

Пассивная динамика недавно нашла свою роль в разработке и управлении протезирование. 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.[7]

Пассивные шагающие двуногие роботы[8][9][10] выставлять разные виды хаотичный поведение, например, бифуркация, прерывистость и кризис.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ МакГир, Т. (1990). Пассивная ходьба на коленях (PDF). Труды., Международная конференция IEEE по робототехнике и автоматизации. IEEE Comput. Soc. Нажмите. С. 1640–1645. Дои:10.1109 / robot.1990.126245. ISBN  978-0818690617.
  2. ^ Чандана Пол (2004). «Морфология и вычисления». Материалы Международной конференции по моделированию адаптивного поведения.: 33–38.
  3. ^ Такер В.А. (1975). «Энергетическая стоимость передвижения». Американский ученый. 63 (4): 413–419. PMID  1137237.
  4. ^ 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. Дои:10.1177/02783640122067561.
  5. ^ Стив Х. Коллинз; Мартин Виссе; Энди Руина; Расс Тедрейк (2005). «Эффективные двуногие роботы на основе пассивно-динамических ходунков». Наука. 307 (5712): 1082–1085. Дои: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.
  6. ^ "Корнелл Рейнджер". Корнелл Университет.
  7. ^ "Влияние радиуса коромысла протеза стопы на походку пользователей протеза". Архивировано из оригинал на 2013-04-10. Получено 2013-03-25.
  8. ^ Госвами, Амбариш; Туилот, Бенуа; Эспио, Бернар (1998). «Исследование пассивной походки двуногого робота, похожего на компас: симметрия и хаос». Международный журнал исследований робототехники. 17 (12): 1282–1301. CiteSeerX  10.1.1.17.4861. Дои:10.1177/027836499801701202.
  9. ^ Икбал, Саджид; Занг, Сичжэ; Чжу, Яньхэ; Чжао, Цзе (2014). «Бифуркации и хаос в пассивной динамической ходьбе: обзор». Робототехника и автономные системы. 62 (6): 889–909. Дои:10.1016 / j.robot.2014.01.006.
  10. ^ Мариано, Гарсия; и другие. (1998). «Самая простая модель ходьбы: устойчивость, сложность, масштабирование». Журнал биомеханической инженерии. 120.2: 281–288.

Библиография

  • Тэд МакГир (апрель 1990 г.). «Пассивная динамическая ходьба». Международный журнал исследований робототехники.
  • Такер В.А. (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. Дои: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. Дои: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». Материалы Международной конференции по моделированию адаптивного поведения.: 33–38.

внешняя ссылка