stringtranslate.com

Пассивная динамика

Пассивная динамика относится к динамическому поведению исполнительных механизмов , роботов или организмов , когда они не получают энергию из источника (например, батареи , топливо , АТФ ). В зависимости от приложения, учет или изменение пассивной динамики работающей системы может иметь радикальные последствия для производительности, в частности, экономии энергии , стабильности и пропускной способности задачи . Устройства, не использующие источник питания, считаются «пассивными», и их поведение полностью описывается их пассивной динамикой.

В некоторых областях робототехники ( в частности, в робототехнике с ногами ) проектирование и более расслабленный контроль пассивной динамики стали дополнительным (или даже альтернативным) подходом к методам управления позиционированием суставов, разработанным в течение 20-го века. Кроме того, пассивная динамика животных представляла интерес для биомехаников и интегративных биологов , поскольку эта динамика часто лежит в основе биологических движений и связана с нейромеханическим контролем .

К особенно важным областям для исследования и разработки пассивной динамики относятся передвижение и манипуляция ногами .

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 человекоподобная структура может сама спускаться по склону без использования 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 качание конечностей для движения вперед по склону.

Модели

Первоначальная модель пассивной динамики основана на движениях ног человека и животных. Полностью приводимые в действие системы, такие как ноги робота Honda Asimo , не очень эффективны, поскольку в каждом суставе есть двигатель и узел управления. Походки, подобные человеческим, гораздо эффективнее, поскольку движение поддерживается естественным колебанием ног, а не двигателями, размещенными в каждом суставе.

Пассивное динамическое моделирование шагающего робота в Webots .

В статье Тэда Макгира 1990 года «Пассивная ходьба с коленями» [1] представлен превосходный обзор преимуществ коленей для шагающих ног. Он наглядно демонстрирует, что колени имеют множество практических преимуществ для систем ходьбы. Колени, по мнению Макгира, решают проблему столкновения стоп с землей, когда нога выносится вперед, а также обеспечивают большую устойчивость в некоторых ситуациях.

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 морфологического вычисления. [2] Морфологическое вычисление — это способность механической системы выполнять функции управления.

Применение пассивной динамики

Добавление приведения в действие пассивных динамических шагающих устройств приводит к созданию высокоэффективных роботизированных шагающих устройств. Такие шагающие устройства могут быть реализованы с меньшей массой и потребляют меньше энергии, поскольку они эффективно ходят всего с парой двигателей. Такое сочетание приводит к превосходной «удельной стоимости транспортировки».

Эффективность использования энергии в транспорте по ровной поверхности количественно определяется в терминах безразмерной «удельной стоимости транспортировки», которая представляет собой количество энергии, необходимое для переноса единицы веса на единицу расстояния. [3] Пассивные динамические ходунки, такие как Cornell Efficient Biped [4], имеют такую ​​же удельную стоимость транспортировки, как и люди, 0,20. Неслучайно, пассивные динамические ходунки имеют походку, похожую на человеческую. Для сравнения, двуногий ASIMO от Honda , который не использует пассивную динамику своих собственных конечностей, имеет удельную стоимость транспортировки 3,23. [5]

Текущий рекорд расстояния для шагающих роботов составляет 65,17 км и принадлежит роботу Cornell Ranger, работающему на основе пассивной динамики. [6]

Пассивная динамика недавно нашла свою роль в проектировании и управлении протезами . Поскольку пассивная динамика обеспечивает математические модели эффективного движения, это подходящий путь для разработки эффективных конечностей, требующих меньше энергии для ампутантов. Эндрю Хансен, Стивен Гард и другие провели обширные исследования в разработке лучших протезов стопы с использованием пассивной динамики. [7]

Пассивные шагающие двуногие роботы [8] [9] [10] демонстрируют различные виды хаотического поведения, например, бифуркацию , прерывистость и кризис .

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ МакГир, Т. (1990). "Пассивная ходьба с коленями" (PDF) . Труды., Международная конференция IEEE по робототехнике и автоматизации . IEEE Comput. Soc. Press. стр. 1640–1645. doi :10.1109/robot.1990.126245. ISBN 978-0818690617. S2CID  9479874.
  2. ^ Чандана Пол (2004). «Морфология и вычисления». Труды Международной конференции по моделированию адаптивного поведения : 33–38.
  3. ^ VA Tucker (1975). «Энергетическая стоимость перемещения». American Scientist . 63 (4): 413–419. Bibcode : 1975AmSci..63..413T. PMID  1137237.
  4. ^ Стив Х. Коллинз; Мартейн 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. S2CID  12350943.
  5. ^ Стив Х. Коллинз; Мартейн Виссе; Энди Руина; Расс Тедрейк (2005). «Эффективные двуногие роботы на основе пассивно-динамических шагающих устройств». Science . 307 (5712): 1082–1085. Bibcode :2005Sci...307.1082C. doi :10.1126/science.1107799. PMID  15718465. S2CID  1315227.и Стив Х. Коллинз; Энди Руина (2005). «Двуногий шагающий робот с эффективной и человекоподобной походкой». Труды Международной конференции IEEE по робототехнике и автоматизации .
  6. ^ "Корнелльский рейнджер". Корнелльский университет.
  7. ^ "Влияние радиуса качания протезной стопы на походку пользователей протезов". Архивировано из оригинала 2013-04-10 . Получено 2013-03-25 .
  8. ^ Госвами, Амбариш; Туило, 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 . doi :10.1177/027836499801701202. S2CID  1283494. 
  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. doi :10.1016/j.robot.2014.01.006.
  10. ^ Мариано, Гарсия и др. (1998). «Простейшая модель ходьбы: стабильность, сложность и масштабирование». Журнал биомеханической инженерии . 120 (2): 281–288. doi :10.1115/1.2798313. PMID  10412391.

Библиография

Внешние ссылки