Pasivní dynamika - Passive dynamics

Pasivní dynamika odkazuje na dynamické chování pohony, roboti nebo organismy když nečerpáte energii ze zdroje (např. baterie, palivo, ATP ). V závislosti na aplikaci může mít zvážení nebo změna pasivní dynamiky napájeného systému drastický vliv zejména na výkon energetická ekonomika, stabilita a úkol šířka pásma. Zařízení, která nepoužívají žádný zdroj energie, jsou považována za „pasivní“ a jejich chování je plně popsáno jejich pasivní dynamikou.

V některých oblastech robotiky (nožní robotika zejména), design a uvolněnější řízení pasivní dynamiky se stal doplňkovým (nebo dokonce alternativním) přístupem metody řízení polohování kloubů se rozvíjelo ve 20. století. Zajímavá byla také pasivní dynamika zvířat biomechanici a integrativní biologové, protože tato dynamika je často základem biologických pohybů a páruje se s nimi neuromechanické ovládání.

Obzvláště relevantní pole pro vyšetřování a konstrukci pasivní dynamiky zahrnují pohyb nohou a manipulace.

Dějiny

Termín a jeho principy vyvinul Tad McGeer na konci 80. let. Zatímco v Univerzita Simona Frasera v Burnaby, Britská Kolumbie McGeer ukázal, že rám podobný člověku může sám kráčet ze svahu, aniž by vyžadoval svaly nebo motory. Na rozdíl od tradičních robotů, kteří vynakládají energii pomocí motorů k ovládání každého pohybu, se McGeerovy rané pasivně-dynamické stroje spoléhaly pouze na gravitaci a přirozené kývání končetin, aby se pohybovaly vpřed po svahu.

Modely

Původní model pasivní dynamiky je založen na pohybech nohou člověka a zvířat. Zcela ovládané systémy, jako jsou nohy systému Honda Asimo robot, nejsou příliš efektivní, protože každý kloub má motorovou a řídicí sestavu. Chody podobné člověku jsou mnohem efektivnější, protože pohyb je udržován přirozeným švihem nohou místo motorů umístěných v každém kloubu.

Pasivní dynamická simulace chodců ve Windows Webové stránky.

Papír Tada McGeera z roku 1990 „Pasivní chůze s koleny“[1] poskytuje vynikající přehled o výhodách kolen pro chodící nohy. Jasně ukazuje, že kolena mají pro chůzi mnoho praktických výhod. Kolena podle McGeera řeší problém kolizí nohou se zemí, když se noha houpá dopředu, a také nabízí větší stabilitu v některých nastaveních.

Pasivní dynamika je cenným přírůstkem do oblasti řízení, protože přistupuje k řízení systému jako kombinace mechanických a elektrických prvků. Zatímco metody řízení byly vždy založeny na mechanických akcích (fyzice) systému, pasivní dynamika využívá objev morfologických výpočtů.[2] Morfologický výpočet je schopnost mechanického systému vykonávat kontrolní funkce.

Uplatnění pasivní dynamiky

Přidání ovládání k pasivním dynamickým chodcům vede k vysoce účinným robotickým chodcům. Taková chodítka mohou být implementována s nižší hmotností a spotřebovávají méně energie, protože chodí efektivně pouze s několika motory. Výsledkem této kombinace jsou vynikající „specifické náklady na dopravu“.

Energetická účinnost v rovinné dopravě se kvantifikuje pomocí bezrozměrných „specifických nákladů na dopravu“, což je množství energie potřebné k přepravě jednotkové hmotnosti na jednotku vzdálenosti.[3] Pasivní dynamická chodítka jako např Cornell Efektivní dvojnožka[4] mají stejné specifické náklady na dopravu jako lidé, 0,20. Pasivní dynamičtí chodci mají mimochodem lidské chůze. Pro srovnání, Honda má dvojnožku ASIMO, který nevyužívá pasivní dynamiku vlastních končetin, má specifické náklady na dopravu 3,23.[5]

Aktuální rekord vzdálenosti u kráčejících robotů, 65,17 km, drží Cornell Ranger založený na pasivní dynamice.[6]

Pasivní dynamika nedávno našla roli v designu a ovládání protéza. Protože pasivní dynamika poskytuje matematické modely efektivního pohybu, je vhodnou cestou vyvinout efektivní končetiny, které vyžadují pro amputované osoby méně energie. Andrew Hansen, Steven Gard a další provedli rozsáhlý výzkum vývoje lepší protézy nohou pomocí pasivní dynamiky.[7]

Pasivní chodící dvounozí roboti[8][9][10] vystavovat různé druhy chaotický chování např. rozdvojení, přerušovanost a krize.

Viz také

Reference

  1. ^ McGeer, T. (1990). Pasivní chůze s koleny (PDF). Proceedings., IEEE International Conference on Robotics and Automation. IEEE Comput. Soc. Lis. 1640–1645. doi:10.1109 / robot.1990.126245. ISBN  978-0818690617.
  2. ^ Chandana Paul (2004). "Morfologie a výpočet". Sborník mezinárodní konference o simulaci adaptivního chování: 33–38.
  3. ^ V. A. Tucker (1975). "Energetické náklady na pohyb". Americký vědec. 63 (4): 413–419. PMID  1137237.
  4. ^ Steve H Collins; Martijn Wisse; Andy Ruina (2001). "3-D pasivní dynamický chodící robot se dvěma nohama a koleny". International Journal of Robotics Research. 20 (7): 607–615. doi:10.1177/02783640122067561.
  5. ^ Steve H Collins; Martijn Wisse; Andy Ruina; Russ Tedrake (2005). „Efektivní bipedální roboty založené na pasivně-dynamických chodcích“. Věda. 307 (5712): 1082–1085. doi:10.1126 / science.1107799. PMID  15718465. a Steve H Collins; Andy Ruina (2005). „Bipedální chodící robot s efektivní a lidskou chůzí“. Proc. Mezinárodní konference IEEE o robotice a automatizaci.
  6. ^ „Cornell Ranger“. Cornell University.
  7. ^ „Účinky poloměru kolébky protetické nohy na chůzi uživatelů protézy“. Archivovány od originál dne 10.04.2013. Citováno 2013-03-25.
  8. ^ Goswami, Ambarish; Thuilot, Benoit; Espiau, Bernard (1998). „Studie pasivní chůze dvoukompaktního robota podobného kompasu: symetrie a chaos“. International Journal of Robotics Research. 17 (12): 1282–1301. CiteSeerX  10.1.1.17.4861. doi:10.1177/027836499801701202.
  9. ^ Iqbal, Sajid; Zang, Xizhe; Zhu, Yanhe; Zhao, Jie (2014). „Bifurkace a chaos v pasivní dynamické chůzi: recenze“. Robotika a autonomní systémy. 62 (6): 889–909. doi:10.1016 / j.robot.2014.01.006.
  10. ^ Mariano, Garcia; et al. (1998). "Nejjednodušší model chůze: stabilita, složitost a změna měřítka". Journal of Biomechanical Engineering. 120.2: 281–288.

Bibliografie

  • Tad McGeer (duben 1990). "Pasivní dynamická chůze". International Journal of Robotics Research.
  • V. A. Tucker (1975). "Energetické náklady na pohyb". Americký vědec. 63 (4): 413–419. PMID  1137237.
  • Steve H Collins; Martijn Wisse; Andy Ruina (2001). "3-D pasivní dynamický chodící robot se dvěma nohama a koleny". International Journal of Robotics Research. 20 (7): 607–615. doi:10.1177/02783640122067561.
  • Steve H Collins; Martijn Wisse; Andy Ruina; Russ Tedrake (2005). „Efektivní bipedální roboty založené na pasivně-dynamických chodcích“. Věda. 307 (5712): 1082–1085. doi:10.1126 / science.1107799. PMID  15718465. a Steve H Collins; Andy Ruina (2005). „Bipedální chodící robot s efektivní a lidskou chůzí“. Proc. Mezinárodní konference IEEE o robotice a automatizaci.
  • Chandana Paul (2004). "Morfologie a výpočet". Sborník mezinárodní konference o simulaci adaptivního chování: 33–38.

externí odkazy