Inverzní dynamika - Inverse dynamics

Inverzní dynamika je inverzní problém. Obvykle se jedná o inverzní dynamiku tuhého těla nebo inverzní strukturální dynamika. Inverzní dynamika tuhého těla je metoda pro výpočet sil a / nebo momenty síly (momenty) na základě kinematika (pohyb) těla a setrvačné vlastnosti těla (Hmotnost a moment setrvačnosti ). Typicky používá modely linkových segmentů k reprezentaci mechanického chování propojených segmentů, například končetiny lidí,[1] zvířata nebo roboti, kde vzhledem k kinematice různých částí, inverzní dynamika odvozuje minimální síly a momenty odpovědné za jednotlivé pohyby. V praxi inverzní dynamika počítá tyto vnitřní momenty a síly z měření pohybu končetin a vnějších sil, jako je pozemní reakční síly, za zvláštního souboru předpokladů.[2][3]

Aplikace

Pole robotika a biomechanika představují hlavní oblasti použití inverzní dynamiky.[Citace je zapotřebí ]

V rámci robotika, k výpočtu jsou použity algoritmy inverzní dynamiky momenty že motory robota musí dodat, aby se koncový bod robota pohyboval způsobem předepsaným jeho aktuálním úkolem. „Problém inverzní dynamiky“ v robotickém inženýrství vyřešil Eduardo Bayo v roce 1987. Toto řešení počítá, jak se musí každý z mnoha elektromotorů, které řídí robotické rameno, pohybovat, aby vytvořil konkrétní akci. Lidé mohou provádět velmi komplikované a přesné pohyby, například dostatečně dobře ovládat špičku rybářského prutu, aby přesně nahodili návnadu. Před pohybem paže mozek vypočítá potřebný pohyb každého zapojeného svalu a řekne svalům, co mají dělat, když se paže houpá. V případě robotického ramene jsou „svaly“ elektromotory, které se v daném okamžiku musí otáčet o určitou hodnotu. Každý motor musí být napájen správným množstvím elektrického proudu ve správný čas. Vědci mohou předvídat pohyb robotického ramene, pokud vědí, jak se budou motory pohybovat. Toto se nazývá problém s dopřednou dynamikou. Až do tohoto objevu nebyli schopni pracovat zpětně a vypočítat pohyby motorů potřebných k vytvoření konkrétního komplikovaného pohybu.,[4] Práce společnosti Bayo začala aplikací metod ve frekvenční oblasti na inverzní dynamiku flexibilních robotů s jedním spojem. Tento přístup přinesl nekauzální přesná řešení kvůli nulem pravé poloviny roviny ve funkcích přenosu náboje krouticího momentu ke špičce. Rozšíření této metody na nelineární případ multi-flexibilního propojení bylo pro robotiku obzvláště důležité. V kombinaci s pasivním společným ovládáním ve spolupráci s kontrolní skupinou vedl přístup společnosti Bayo s inverzní dynamikou k exponenciálně stabilnímu ovládání sledování špiček u flexibilních vícelinkových robotů.[5]

Podobně inverzní dynamika v biomechanice počítá síťový obratový účinek všech anatomických struktur napříč kloubem, zejména svalů a vazů, nezbytných k vytvoření pozorovaných pohybů kloubu. Tyto momenty síly pak mohou být použity k výpočtu množství mechanické práce provedeno tímto momentem síly. Každý moment síly může provádět pozitivní práci ke zvýšení rychlosti a / nebo výšky těla nebo negativní práci ke snížení rychlosti a / nebo výšky těla.[2][3] Pohybové rovnice nezbytné pro tyto výpočty jsou založeny na Newtonovská mechanika, konkrétně Newton – Eulerovy rovnice z:

Platnost rovnat se Hmotnost krát lineární akcelerace, a
Okamžik rovná se hmotnostní moment setrvačnosti krát úhlové zrychlení.

Tyto rovnice matematicky modelují chování končetiny, pokud jde o model znalostní domény nezávislý, link-segment, například idealizovaný pevné látky revoluce nebo kostra s končetinami pevné délky a dokonalými otočnými klouby. Z těchto rovnic odvozuje inverzní dynamika úroveň krouticího momentu (momentu) v každém kloubu na základě pohybu připojené končetiny nebo končetin ovlivněných kloubem. Tento proces používaný k odvození společných momentů je známý jako inverzní dynamika, protože obrací pohybové rovnice dopředné dynamiky, soubor diferenciálních rovnic, které poskytují zrychlení a síly působící na trajektorie polohy a úhlu končetin idealizované kostry.

Ze společných okamžiků mohl biomechanik odvodit svalové síly, které by vedly k těmto okamžikům, na základě modelu kostí a svalových připevnění atd., Čímž by odhadl aktivaci svalů z kinematického pohybu.

Správně vypočítat hodnoty síly (nebo momentu) z inverzní dynamiky může být náročné, protože vnější síly (např. Zemní kontaktní síly) ovlivňují pohyb, ale nejsou přímo pozorovatelné z kinematického pohybu. Kromě toho může koaktivace svalů vést k rodině řešení, která nelze odlišit od charakteristik kinematického pohybu. Kromě toho uzavřené kinematické řetězce, jako je houpání netopýrem nebo střelba hokejovým pukem, vyžadují měření vnitřních sil (v netopýru nebo hokejce) před provedením momentů ramen, loktů nebo zápěstí a lze odvodit síly.[2]

Viz také

  • Kinematika
  • Inverzní kinematika: problém podobný inverzní dynamice, ale s různými cíli a výchozími předpoklady. Zatímco inverzní dynamika vyžaduje krouticí momenty, které produkují určitou časovou trajektorii pozic a rychlostí, inverzní kinematika vyžaduje pouze statickou sadu společných úhlů, takže je umístěn určitý bod (nebo sada bodů) postavy (nebo robota) na určitém určeném místě. Používá se při syntéze vzhledu lidského pohybu, zejména v oblasti designu videoher. Další použití je v robotice, kde je třeba vypočítat úhly kloubu paže z požadované polohy koncového efektoru.
  • Parametry segmentu těla

Reference

  1. ^ Crowninshield, R. D., Johnston, R. C., Andrews, J. G., & Brand, R. A. (1978). "Biomechanické vyšetřování lidského boku". Journal of Biomechanics. 11 (1): 75–85. doi:10.1016/0021-9290(78)90045-3.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  2. ^ A b C Robertson DGE a kol., Research Methods in Biomechanics, Champaign IL: Human Kinetics Pubs., 2004.
  3. ^ A b Winter, D.A. (1991). Biomechanika a motorické ovládání lidské chůze: normální, starší a patologické. Waterloo, Ontario: University of Waterloo Press.
  4. ^ „New Scientist Magazine“ .25, srpen 1988. str. 34, „Robot Riddle Solved“.
  5. ^ Bayo E., „Přístup konečných prvků k řízení pohybu koncového bodu flexibilního robota s jedním spojem“, „Journal of Robotic Systems“, sv. 4, č. 1, s. 63–75. Února 1987.

externí odkazy

  • Inverzní dynamika Shrnutí výzkumu Chris Kirtley a výukové programy o biomechanických aspektech lidské chůze.