Пассивная динамика

Пассивная динамика относится к динамическому поведению исполнительных механизмов, роботов или организмов, когда они не вытягивают энергию из источника питания (например, батареи, топливо, АТФ). В зависимости от приложения рассмотрение или изменение пассивной динамики питаемой системы может иметь резкие последствия для производительности, особенно для экономии энергии, стабильности и пропускной способности. Устройства, не использующие источник питания, считаются «пассивными», и их поведение полностью описывается их пассивной динамикой.

В некоторых областях робототехники (в частности, робототехники с ногами) дизайн и более расслабленный контроль пассивной динамики стал дополнительным (или даже альтернативным) подходом к методам управления совместным позиционированием, разработанным в XX веке. Кроме того, пассивная динамика животных представляла интерес для биомеханистов и интегративных биологов, поскольку эта динамика часто лежит в основе биологических движений и сопряжена с нейромеханическим контролем.

Особо актуальными областями для исследования и разработки пассивной динамики являются лобовые движения и манипуляции.

история
Термин и его принципы были разработаны Тадом МакГером в конце 1980-х годов. В то время как в Университете Симона Фрейзера в Бернаби, Британская Колумбия, Макгир показал, что человекоподобная рама может пройти по склону, не требуя мышц или двигателей. В отличие от традиционных роботов, которые тратят энергию, используя двигатели для управления каждым движением, ранние пассивно-динамические машины McGeer полагались только на гравитацию и естественное размахивание своих конечностей, чтобы двигаться вперед по склону.

модели
Оригинальная модель пассивной динамики основана на движениях человека и животных. Полностью приводимые в действие системы, такие как ножки робота Honda Asimo, не очень эффективны, поскольку каждое соединение имеет двигатель и блок управления. Человекоподобные походки намного эффективнее, потому что движение поддерживается естественным колебанием ног вместо двигателей, размещенных в каждом суставе.

В статье 1990 года «Пассивная ходьба с колени» Тад МакГер дает отличный обзор преимуществ колени для ходьбы. Он ясно демонстрирует, что колени имеют много практических преимуществ для пешеходных систем. Колени, по словам МакГера, решают проблему столкновений ног с землей, когда нога качается вперед, а также обеспечивает большую стабильность в некоторых настройках.

Пассивная динамика является ценным дополнением к области управления, поскольку она приближается к управлению системой как комбинация механических и электрических элементов. Хотя методы управления всегда были основаны на механических действиях (физике) системы, пассивная динамика использует открытие морфологических вычислений. Морфологическое вычисление — это способность механической системы выполнять контрольные функции.

Применение пассивной динамики
Добавление приведения в действие к пассивным динамическим ходокам приводит к созданию высокоэффективных роботизированных ходунков. Такие ходоки могут быть реализованы при меньшей массе и потребляют меньше энергии, потому что они эффективно работают только с несколькими двигателями. Эта комбинация приводит к превосходной «удельной стоимости транспорта».

Энергоэффективность в наземном транспорте определяется количественно с точки зрения безразмерной «удельной стоимости транспорта», которая представляет собой количество энергии, необходимое для переноса единичного веса на единицу расстояния. Пассивные динамические ходунки, такие как Cornell Efficient Biped, имеют ту же специфическую стоимость транспорта, что и люди, 0,20. Не случайно пассивные динамические ходунки имеют человекоподобные походки. Для сравнения, двунаправленный ASIMO от Honda, который не использует пассивную динамику своих собственных конечностей, имеет удельную стоимость транспортировки 3,23.

Текущая дистанционная запись для пеших роботов, 65,17 км, принадлежит пассивной динамике, основанной Корнелл Рейнджер.

Пассивная динамика недавно нашла роль в проектировании и контроле протезирования. Поскольку пассивная динамика обеспечивает математические модели эффективного движения, это подходящий путь для развития эффективных конечностей, которые требуют меньше энергии для ампутантов. Эндрю Хансен, Стивен Гард и другие провели обширные исследования в области разработки лучшего протезирования стопы, используя пассивную динамику.

Пассивные роботы-роботы с биполярным движением проявляют различные виды хаотического поведения, например, бифуркацию, прерывистость и кризис.