ديناميات سلبية

تشير الديناميات السلبية إلى السلوك الديناميكي للمشغلات ، أو الروبوتات ، أو الكائنات الحية عندما لا تستهلك الطاقة من مصدر (مثل البطاريات ، والوقود ، و ATP). اعتمادًا على التطبيق ، قد يؤدي التفكير في أو تغيير الديناميكيات السلبية لنظام يعمل بالطاقة إلى تأثيرات جذرية على الأداء ، لا سيما اقتصاد الطاقة والاستقرار وعرض النطاق الترددي للمهام. تعتبر الأجهزة التي لا تستخدم مصدر طاقة “سلبية” ، ويتم وصف سلوكها بالكامل من خلال ديناميكياتها السلبية.

في بعض مجالات الروبوتات (علم الروبوتات على نحو خاص) ، أصبح التصميم والتحكم الأكثر استرخاء في الديناميات السلبية نهجًا مكملاً (أو حتى بديلاً) لأساليب التحكم في تحديد المواقع المشتركة التي تم تطويرها خلال القرن العشرين. بالإضافة إلى ذلك ، كانت الديناميكيات السلبية للحيوانات ذات أهمية لبيوميكانيك وعلماء بيولوجيين تكامليين ، حيث أن هذه الديناميكيات غالباً ما تكمن وراء الحركات البيولوجية والزوجين مع السيطرة العصبية.

المجالات ذات الصلة بشكل خاص للتحقيق والهندسة ديناميكيات سلبية تشمل الحركة الفضفاضة والتلاعب.

التاريخ
تم تطوير المصطلح ومبادئه بواسطة Tad McGeer في أواخر 1980s. أثناء وجوده في جامعة Simon Fraser في بورنبي ، كولومبيا البريطانية ، أظهر McGeer أن الإطار الشبيه بالإنسان يمكنه السير على منحدر دون الحاجة إلى العضلات أو المحركات. على عكس الروبوتات التقليدية ، التي تستهلك الطاقة باستخدام المحركات للسيطرة على كل حركة ، تعتمد آلات ماكجير الديناميكية المبكرة المبكرة على الجاذبية والتأرجح الطبيعي لأطرافها للتحرك للأمام على منحدر.

عارضات ازياء
ويستند النموذج الأصلي للديناميات السلبية على حركات الساق البشرية والحيوانية. إن الأنظمة التي يتم تشغيلها بالكامل ، مثل أرجل روبوت Honda Asimo ، ليست فعالة للغاية لأن كل مفصل يحتوي على مجموعة تحكم وموتور. إن الشباك الشبيهة بالإنسان هي أكثر كفاءة بكثير لأن الحركة مستدامة بالتأرجح الطبيعي للأرجل بدلاً من المحركات الموضوعة في كل مفصل.

يقدم كتاب Tad McGeer لعام 1990 بعنوان “Passive Walking with Knees” نظرة عامة ممتازة حول مزايا الركبتين في أرجل المشي. يوضح بوضوح أن الركبتين لها العديد من المزايا العملية لأنظمة المشي. Knees ، وفقا ل McGeer ، حل مشكلة تصادم القدمين مع الأرض عندما يتأرجح الساق إلى الأمام ، وأيضا يوفر المزيد من الاستقرار في بعض الإعدادات.

الديناميات السلبية هي إضافة قيمة إلى مجال الضوابط لأنها تقترب من التحكم في النظام كمجموعة من العناصر الميكانيكية والكهربائية. على الرغم من أن أساليب التحكم كانت دائمًا تعتمد على الإجراءات الميكانيكية (الفيزياء) لنظام ما ، إلا أن الديناميكيات السلبية تستخدم اكتشاف الحوسبة الصرفية. الحساب الصرفي هو قدرة النظام الميكانيكي على إنجاز وظائف التحكم.

تطبيق ديناميات سلبية
تؤدي إضافة المشغل إلى المشايات الديناميكية السلبية إلى مشايات آلية ذات كفاءة عالية. يمكن تنفيذ هذه المشايات في كتلة أقل واستخدام طاقة أقل لأنهم يسيرون بفعالية مع بضعة محركات فقط. هذه المجموعة تؤدي إلى “تكلفة نقل محددة” متفوقة.

يتم قياس كفاءة الطاقة في النقل على مستوى الأرض من حيث “تكلفة النقل المحددة” بلا أبعاد ، وهي كمية الطاقة اللازمة لحمل وحدة الوزن على مسافة الوحدة. المشاة الديناميكية السلبية مثل Cornell Efficient Biped لها نفس التكلفة المحددة للنقل كبشر ، 0.20. ليس من قبيل الصدفة ، مشوا ديناميكية السلبي لها gaits يشبه الإنسان. وبالمقارنة ، فإن شركة أسيمو ، التي تحمل القدمين ، والتي لا تستخدم الديناميكيات السلبية لأطرافها ، لديها تكلفة نقل محددة تبلغ 3.23.

ويحتفظ السجل الديناميكي لمسافة السير الحالية لمسافة 65.17 كم بالديناميكيات السلبية التي تعتمد على كورنيل رينجر.

وقد وجدت الديناميكيات السلبية مؤخرا دورا في تصميم ومراقبة الأطراف الصناعية. بما أن الديناميكيات السلبية توفر نماذج رياضية للحركة الفعالة ، فهي وسيلة مناسبة لتطوير الأطراف الفعالة التي تتطلب طاقة أقل لمبتوري الأطراف. قام كل من أندرو هانسن وستيفن جارد وآخرون بأبحاث مكثفة في تطوير الأطراف الاصطناعية للأقدام من خلال استخدام ديناميكيات سلبية.

وتعرض أجهزة الإنسان الآلي التي تمارس المشي السلبي أنواعًا مختلفة من السلوكيات الفوضوية ، مثل التشعب والتقطع والأزمات.