Passiv dynamik

Passiv dynamik hänvisar till det dynamiska beteendet hos ställdon , robotar eller organismer när de inte drar energi från en tillförsel (t.ex. batterier , bränsle , ATP ). Beroende på applikationen kan övervägande eller ändring av den passiva dynamiken i ett driven system ha drastiska effekter på prestanda, särskilt energiekonomi , stabilitet och uppgiftsbandbredd . Enheter som inte använder någon strömkälla anses vara "passiva" och deras beteende beskrivs fullständigt av deras passiva dynamik.

Inom vissa områden av robotik ( i synnerhet benrobotik ) har design och mer avslappnad kontroll av passiv dynamik blivit ett komplement (eller till och med alternativt) tillvägagångssätt för styrmetoder för ledpositionering som utvecklats under 1900-talet. Dessutom har den passiva dynamiken hos djur varit av intresse för biomekanister och integrativa biologer , eftersom denna dynamik ofta ligger till grund för biologiska rörelser och kopplas till neuromekanisk kontroll .

Särskilt relevanta områden för att undersöka och konstruera passiv dynamik inkluderar benrörelse och manipulation .

Historia

Termen och dess principer utvecklades av Tad McGeer i slutet av 1980-talet. Vid Simon Fraser University i Burnaby , British Columbia , visade McGeer att en människoliknande ram kan gå själv nerför en sluttning utan att behöva muskler eller motorer. Till skillnad från traditionella robotar, som förbrukar energi genom att använda motorer för att kontrollera varje rörelse, förlitade sig McGeers tidiga passiv-dynamiska maskiner endast på gravitationen och den naturliga svängningen av deras lemmar för att röra sig framåt nedför en sluttning.

Modeller

Den ursprungliga modellen för passiv dynamik är baserad på människors och djurs benrörelser. Helt manövrerade system, såsom benen på Honda Asimo- roboten, är inte särskilt effektiva eftersom varje led har en motor och kontrollenhet. Människoliknande gångarter är mycket mer effektiva eftersom rörelsen upprätthålls av benens naturliga svängning istället för motorer placerade vid varje led.

Passiv dynamisk rollatorsimulering i Webbots .

Tad McGeers papper från 1990 "Passive Walking with Knees" ger en utmärkt översikt över fördelarna med knän för att gå ben. Han visar tydligt att knän har många praktiska fördelar för gångsystem. Knän, enligt McGeer, löser problemet med fötter som kolliderar med marken när benet svänger framåt, och ger också mer stabilitet i vissa inställningar.

Passiv dynamik är ett värdefullt tillägg till området för kontroller eftersom det närmar sig styrningen av ett system som en kombination av mekaniska och elektriska element. Medan kontrollmetoder alltid har varit baserade på mekaniska handlingar (fysik) i ett system, använder passiv dynamik upptäckten av morfologisk beräkning. Morfologisk beräkning är det mekaniska systemets förmåga att utföra kontrollfunktioner.

Tillämpa passiv dynamik

Att lägga till aktivering till passiva dynamiska rollatorer resulterar i mycket effektiva robotrullatorer. Sådana rollatorer kan implementeras med lägre massa och använder mindre energi eftersom de går effektivt med bara ett par motorer. Denna kombination resulterar i en överlägsen "specifik transportkostnad".

Energieffektivitet vid transport på plan mark kvantifieras i termer av den dimensionslösa "specifika transportkostnaden", vilket är den mängd energi som krävs för att bära en enhetsvikt en enhetssträcka. Passiva dynamiska vandrare som Cornell Efficient Biped har samma specifika transportkostnad som människor, 0,20. Inte för övrigt, passiva dynamiska vandrare har mänskliga gångarter. Som jämförelse har Hondas tvåfota ASIMO , som inte utnyttjar den passiva dynamiken i sina egna lemmar, en specifik transportkostnad på 3,23.

Det nuvarande distansrekordet för gående robotar, 65,17 km, innehas av den passiva dynamikbaserade Cornell Ranger.

Passiv dynamik har nyligen funnit en roll i design och kontroll av proteser . Eftersom passiv dynamik tillhandahåller de matematiska modellerna för effektiv rörelse, är det en lämplig väg att utveckla effektiva lemmar som kräver mindre energi för amputerade. Andrew Hansen, Steven Gard och andra har gjort omfattande forskning för att utveckla bättre fotproteser genom att utnyttja passiv dynamik.

Passiva gående tvåbenta robotar uppvisar olika typer av kaotiska beteenden, t.ex. bifurkation , intermittens och kris .

Se även

• Underaktivering

Bibliografi

• Tad McGeer (april 1990). "Passiv dynamisk gång". International Journal of Robotics Research .
•   VA Tucker (1975). "Den energiska kostnaden för att flytta omkring". Amerikansk vetenskapsman . 63 (4): 413–419. Bibcode : 1975AmSci..63..413T . PMID 1137237 .
•   Steve H Collins; Martijn Wisse; Andy Ruina (2001). "En 3-D passiv dynamisk gårobot med två ben och knän". International Journal of Robotics Research . 20 (7): 607–615. doi : 10.1177/02783640122067561 . S2CID 12350943 .
•    Steve H Collins; Martijn Wisse; Andy Ruina; Russ Tedrake (2005). "Effektiva tvåfota robotar baserade på passivt dynamiska Walkers". Vetenskap . 307 (5712): 1082–1085. Bibcode : 2005Sci...307.1082C . doi : 10.1126/science.1107799 . PMID 15718465 . S2CID 1315227 . och Steve H Collins; Andy Ruina (2005). "En tvåfotad gångrobot med effektiv och människoliknande gång". Proc. IEEE International Conference on Robotics and Automation .
• Chandana Paul (2004). "Morfologi och beräkning". Handlingar från den internationella konferensen om simulering av adaptivt beteende : 33–38.

externa länkar

• Cornell Biorobotics and Locomotion Lab — videor och artiklar om passiva dynamiska vandrare, inklusive McGeers original, Cornell Efficient Walker och Cornell Ranger
• Droid Logic — simuleringar av passiva dynamiska vandrare och löpare skapade med evolutionär robotik
• MIT Leg Lab — gå- och löprobotar som använder naturlig dynamik
• Steve Collins robotsida — Cornell Efficient Walker, dess passiva föregångare och ytterligare referenser