Dynamika pasywna

Dynamika pasywna odnosi się do dynamicznego zachowania siłowników , robotów lub organizmów , gdy nie pobierają energii z zasobów (np. baterii , paliwa , ATP ). W zależności od zastosowania, rozważenie lub zmiana pasywnej dynamiki zasilanego systemu może mieć drastyczny wpływ na wydajność, w szczególności na oszczędność energii , stabilność i przepustowość zadań . Urządzenia bez źródła zasilania są uważane za „pasywne”, a ich zachowanie w pełni opisuje ich pasywna dynamika.

W niektórych dziedzinach robotyki ( w szczególności robotyki na nogach ) projektowanie i bardziej zrelaksowana kontrola dynamiki pasywnej stały się uzupełniającym (lub nawet alternatywnym) podejściem do metod kontroli pozycjonowania stawów opracowanych w XX wieku. Ponadto pasywna dynamika zwierząt była przedmiotem zainteresowania biomechanistów i biologów integratywnych , ponieważ ta dynamika często leży u podstaw ruchów biologicznych i łączy się z kontrolą neuromechaniczną .

Szczególnie istotne dziedziny badań i inżynierii pasywnej dynamiki obejmują poruszanie się nogami i manipulację .

Historia

Termin i jego zasady zostały opracowane przez Tada McGeera pod koniec lat 80. Podczas pobytu na Uniwersytecie Simona Frasera w Burnaby w Kolumbii Brytyjskiej McGeer wykazał, że organizm podobny do człowieka może samodzielnie zejść ze zbocza bez użycia mięśni i motorów . W przeciwieństwie do tradycyjnych robotów, które zużywają energię, używając silników do kontrolowania każdego ruchu, wczesne pasywno-dynamiczne maszyny McGeera polegały wyłącznie na grawitacji i naturalnym kołysaniu kończyn, aby poruszać się do przodu w dół zbocza.

modele

Oryginalny model pasywnej dynamiki opiera się na ruchach nóg ludzi i zwierząt. Całkowicie uruchomione systemy, takie jak nogi Honda Asimo , nie są zbyt wydajne, ponieważ każdy przegub ma silnik i zespół sterujący. Chody podobne do ludzkich są znacznie bardziej wydajne, ponieważ ruch jest podtrzymywany przez naturalne kołysanie nóg zamiast silników umieszczonych w każdym stawie.

Pasywna dynamiczna symulacja chodzika w Webotach .

Artykuł Tada McGeera z 1990 roku „Pasywne chodzenie z kolanami” zawiera doskonały przegląd zalet kolan dla chodzenia nogami. Wyraźnie pokazuje, że kolana mają wiele praktycznych zalet dla systemów chodu. Według McGeera kolana rozwiązują problem kolizji stóp z podłożem, gdy noga wychyla się do przodu, a także zapewniają większą stabilność w niektórych ustawieniach.

Dynamika pasywna jest cennym dodatkiem do dziedziny sterowania, ponieważ traktuje sterowanie systemem jako kombinację elementów mechanicznych i elektrycznych. Podczas gdy metody sterowania zawsze opierały się na działaniach mechanicznych (fizyce) systemu, pasywna dynamika wykorzystuje odkrycie obliczeń morfologicznych. Obliczenia morfologiczne to zdolność systemu mechanicznego do wykonywania funkcji kontrolnych.

Stosowanie pasywnej dynamiki

Dodanie aktywacji do pasywnych dynamicznych spacerowiczów skutkuje wysoce wydajnymi robotami spacerowymi. Takie chodziki można wdrożyć przy mniejszej masie i zużywają mniej energii, ponieważ efektywnie chodzą tylko z kilkoma silnikami. Ta kombinacja skutkuje wyższym „kosztem jednostkowym transportu”.

Efektywność energetyczna w transporcie poziomym jest określana ilościowo za pomocą bezwymiarowego „kosztu właściwego transportu”, czyli ilości energii potrzebnej do przeniesienia jednostki masy na jednostkę odległości. Pasywni dynamiczni spacerowicze, tacy jak Cornell Efficient Biped, mają taki sam koszt transportu jak ludzie, 0,20. Nieprzypadkowo pasywni dynamiczni spacerowicze mają chód podobny do ludzkiego. ASIMO Hondy , który nie wykorzystuje pasywnej dynamiki własnych kończyn, ma jednostkowy koszt transportu 3,23.

Obecny rekord odległości dla robotów chodzących, wynoszący 65,17 km, należy do Cornell Ranger, opartego na dynamice pasywnej.

Dynamika pasywna znalazła ostatnio zastosowanie w projektowaniu i kontroli protez . Ponieważ dynamika pasywna dostarcza matematycznych modeli wydajnego ruchu, jest to właściwa droga do opracowania wydajnych kończyn, które wymagają mniej energii dla osób po amputacji. Andrew Hansen, Steven Gard i inni przeprowadzili szeroko zakrojone badania nad opracowaniem lepszych protez stóp poprzez wykorzystanie pasywnej dynamiki.

Pasywnie chodzące dwunożne roboty wykazują różne rodzaje chaotycznych zachowań, np. bifurkację , przerywanie i sytuacje kryzysowe .

Zobacz też

Bibliografia

  • Tad McGeer (kwiecień 1990). „Pasywne chodzenie dynamiczne”. International Journal of Robotics Research .
  •   VA Tucker (1975). „Koszt energetyczny poruszania się”. Amerykański naukowiec . 63 (4): 413–419. Bibcode : 1975AmSci..63..413T . PMID 1137237 .
  •   Steve'a H. Collinsa; Martijn Wisse; Andy Ruina (2001). „Trójwymiarowy pasywny, dynamiczny robot chodzący z dwiema nogami i kolanami” . International Journal of Robotics Research . 20 (7): 607–615. doi : 10.1177/02783640122067561 . S2CID 12350943 .
  •    Steve'a H. Collinsa; Martijn Wisse; Andy'ego Ruinę; Russa Tedrake'a (2005). „Wydajne roboty dwunożne oparte na pasywno-dynamicznych chodzikach”. nauka . 307 (5712): 1082–1085. Bibcode : 2005Sci...307.1082C . doi : 10.1126/science.1107799 . PMID 15718465 . S2CID 1315227 . i Steve'a H. Collinsa; Andy Ruina (2005). „Dwunożny robot chodzący o wydajnym i ludzkim chodzie”. proc. Międzynarodowa konferencja IEEE na temat robotyki i automatyki .
  • Chandana Paweł (2004). „Morfologia i obliczenia”. Materiały z Międzynarodowej Konferencji na temat symulacji zachowań adaptacyjnych : 33–38.

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Passive_dynamics&oldid=1088783994 ”