受動の動力学

受動的動力学(Passive dynamics)とは、電源(例えば、バッテリ、燃料、ATP)からエネルギーを引き出さない場合のアクチュエータ、ロボット、または生物の動的挙動を指す。 アプリケーションに応じて、受動システムのパッシブダイナミックスを検討または変更すると、パフォーマンス、特にエネルギー経済、安定性、およびタスクの帯域幅に大きな影響を及ぼす可能性があります。 電源を使用しないデバイスは「パッシブ」とみなされ、その動作はパッシブダイナミックスによって完全に記述されます。

ロボット工学のいくつかの分野(特に脚ロボット)では、受動的動力学の設計とより緩やかな制御が、20世紀を通じて開発された関節位置決め制御方法に対する補完的(あるいは代替的)なアプローチとなっている。 さらに、動物の受動的動態は、生体力学および統合生物学者にとって興味深いものであり、これらの動力学はしばしば生物学的運動の根底にあり、神経力学的制御と関連している。

パッシブダイナミクスの調査および工学に特に関連する分野には、脚式の移動および操作が含まれる。

歴史
この用語とその原則は、1980年代後半にTad McGeerによって開発されました。 ブリティッシュコロンビア州バーナビーのサイモンフレーザー大学では、人間のようなフレームが筋肉やモーターを必要とせずに斜面を歩くことができることを示しました。 McGeerの初期のパッシブダイナミックマシンは、モーターを使用してあらゆる動きを制御することによってエネルギーを消費する伝統的なロボットとは異なり、初期のパッシブダイナミックマシーンは重力と四肢の自然なスイングにしか依存せず、

モデル
パッシブダイナミクスの元のモデルは、人間と動物の脚の動きに基づいています。 Honda Asimoロボットの足などの完全に作動するシステムは、各関節がモータと制御アセンブリを備えているため、あまり効率的ではありません。 人間のような歩行は、運動が各関節に配置されたモーターの代わりに足の自然な振れによって維持されるので、はるかに効率的である。

Tad McGeerの1990年の論文「膝のパッシブ・ウォーキング」は、歩行脚のための膝の利点に関する優れた概要を提供します。 彼は、膝は歩行システムに多くの実用的な利点があることを明確に示しています。 McGeerによると、膝は、足が前方にスイングするときに地面に衝突する足の問題を解決し、いくつかの設定ではさらに安定性を提供する。

受動的動力学は、機械的要素と電気的要素との組み合わせとしてシステムの制御に近づくため、制御分野の貴重な付加価値である。 制御方法は常にシステムの機械的作用(物理学)に基づいているが、受動的動力学は形態学的計算の発見を利用する。 形態学的計算は、制御機能を達成する機械システムの能力である。

パッシブダイナミクスの適用
パッシブダイナミックウォーカーにアクチュエーションを追加すると、非常に効率的なロボットウォーカーが得られます。 このような歩行者は、より少ない質量で実施することができ、2つのモータだけで効果的に歩くので、より少ないエネルギーを使用することができる。 この組み合わせにより、優れた「特定輸送コスト」がもたらされます。

平地輸送におけるエネルギー効率は、単位重量を単位距離で運ぶために必要なエネルギーの量である無次元の「輸送の特定コスト」の観点から定量化されます。 コーネルの効率的な二足歩行のような受動的な動的歩行者は、人間と同じ輸送コスト、0.20を持っています。 偶然にも、パッシブダイナミックウォーカーには人間のような歩容があります。 これとは対照的に、Hondaの二足歩行ASIMOは、自らの手足の受動的な力学を利用していないため、運搬にかかる特別コストは3.23です。

歩行ロボットの現在の距離記録(65.17 km)は、パッシブダイナミクスベースのコーネルレンジャーによって保持されています。

パッシブダイナミクスは、最近、補綴物の設計および制御において役割を見出している。 パッシブダイナミクスは効率的な運動の数学的モデルを提供するので、切断人にとってより少ないエネルギーしか必要としない効率的な手足を開発する適切な手段である。 アンドリューハンセン、スティーブンガード他は、パッシブダイナミクスを利用して足の補綴物を開発するための広範な研究を行ってきました。

受動歩行二足歩行ロボットは、分岐、間欠性および危機などの異なる種類のカオス的行動を示す。