Пассивная динамика

Пассивная динамика относится к динамическому поведению приводов , роботов или организмов, когда они не получают энергию из источников (например, батарей , топлива , АТФ ). В зависимости от приложения рассмотрение или изменение пассивной динамики активной системы может оказать существенное влияние на производительность, особенно на экономию энергии , стабильность и пропускную способность задач . Устройства, не использующие источник питания, считаются «пассивными», и их поведение полностью описывается их пассивной динамикой.

В некоторых областях робототехники ( робототехники с ногами в частности, ) проектирование и более расслабленное управление пассивной динамикой стали дополнительным (или даже альтернативным) подходом к методам управления позиционированием суставов, разработанным в 20 веке. 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 актуальными областями исследования и разработки пассивной динамики являются передвижение ног и манипуляции .

История

Этот термин и его принципы были разработаны Тэдом МакГиром в конце 1980-х годов. Находясь в Университете Саймона Фрейзера в Бернаби , Британская Колумбия , МакГир показал, что человекоподобное тело может спускаться по склону самостоятельно, не требуя мускулов или моторики. В отличие от традиционных роботов, которые расходуют энергию, используя двигатели для управления каждым движением, ранние пассивно-динамические машины Макгира полагались только на силу гравитации и естественное покачивание конечностей при движении вниз по склону.

Модели

Оригинальная модель пассивной динамики основана на движениях ног человека и животных. Системы с полным приводом, такие как ноги робота Honda Asimo , не очень эффективны, поскольку каждое сочленение имеет двигатель и узел управления. Походка, подобная человеческой, гораздо более эффективна, поскольку движение поддерживается естественными движениями ног, а не моторами, расположенными в каждом суставе.

Пассивная динамическая симуляция ходока в Webots .

Статья Тэда МакГира 1990 года «Пассивная ходьба на коленях». дает отличный обзор преимуществ коленей для ходьбы. Он ясно демонстрирует, что колени имеют много практических преимуществ для систем ходьбы. Колени, по словам Макгира, решают проблему столкновения ступней с землей при движении ноги вперед, а также обеспечивают большую устойчивость в некоторых ситуациях.

Пассивная динамика является ценным дополнением к области управления, поскольку она рассматривает управление системой как комбинацию 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 привода к пассивным динамическим ходункам приводит к созданию высокоэффективных роботов-ходоков. Такие ходунки могут иметь меньшую массу и потреблять меньше энергии, поскольку эффективно передвигаются всего лишь с помощью пары двигателей. Эта комбинация приводит к превосходной «удельной стоимости перевозки».

Энергоэффективность наземного транспорта количественно выражается через безразмерную «удельную стоимость транспорта», которая представляет собой количество энергии, необходимое для перевозки единицы веса на единицу расстояния. Пассивные динамические ходунки, такие как Cornell Efficient Biped. имеют ту же удельную стоимость транспортировки, что и люди, 0,20. Не случайно походка пассивных динамических ходоков напоминает человеческую. Для сравнения, двуногий ASIMO компании Honda , который не использует пассивную динамику собственных конечностей, имеет удельную стоимость транспортировки 3,23.

Текущий рекорд расстояния для шагающих роботов, 65,17 км, принадлежит Cornell Ranger на базе пассивной динамики.

Пассивная динамика недавно нашла применение в разработке и контроле протезирования . Поскольку пассивная динамика обеспечивает математические модели эффективного движения, это подходящий путь для разработки эффективных конечностей, которые требуют меньше энергии для людей с ампутированными конечностями. Эндрю Хансен, Стивен Гард и другие провели обширные исследования в области разработки более эффективных протезов стопы с использованием пассивной динамики.

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

См. также

• Недоработка

Библиография

• Тэд МакГир (апрель 1990 г.). «Пассивно-динамическая ходьба». Международный журнал исследований робототехники .
• В. А. Такер (1975). «Энергетическая стоимость передвижения». Американский учёный . 63 (4): 413–419. Бибкод : 1975AmSci..63..413T . ПМИД   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 . S2CID   12350943 .
• Стив Х. Коллинз; Мартин Виссе; Энди Руина; Расс Тедрейк (2005). «Эффективные двуногие роботы на основе пассивно-динамических ходунков». Наука . 307 (5712): 1082–1085. Бибкод : 2005Sci...307.1082C . дои : 10.1126/science.1107799 . ПМИД   15718465 . S2CID   1315227 . и Стив Х. Коллинз; Энди Руина (2005). «Двуногий шагающий робот с эффективной походкой, напоминающей человеческую». Учеб. Международная конференция IEEE по робототехнике и автоматизации .
• Чандана Пол (2004). «Морфология и вычисления». Материалы Международной конференции по моделированию адаптивного поведения : 33–38.

Внешние ссылки

• Корнеллская лаборатория биоробототехники и передвижения — видеоролики и статьи о пассивных динамических ходунах, включая оригиналы Макгира, Cornell Efficient Walker и Cornell Ranger.
• Droid Logic — симуляции пассивных динамических ходоков и бегунов, созданные с помощью эволюционной робототехники.
• MIT Leg Lab — шагающие и бегающие роботы, использующие естественную динамику
• Страница Стива Коллинза «Роботы» — Cornell Efficient Walker, его пассивный предшественник и дополнительные ссылки