Кіріспе

Актуаторлар, роботтар немесе организмдердің энергияны көзден алмайтын кездегі динамикалық мінез-құлқы Пассивті динамика актуаторлар, роботтар немесе организмдердің энергия көзінен (мысалы, батареялар, отын, АТФ) энергия алмайтын кездегі динамикалық мінез-құлқына қатысты. Қолданбаға байланысты, қуатты жүйенің пассивті динамикасын қарастыру немесе өзгерту өнімділікке, әсіресе энергия үнемдеуге, тұрақтылыққа және тапсырманың жолақтығына қатты әсер етуі мүмкін. Қуат көзін пайдаланбайтын құрылғылар "пассивті" болып саналады және олардың мінез-құлқы олардың пассивті динамикасымен толық сипатталады. Робототехниканың кейбір салаларында (әсіресе аяқты роботтарда) пассивті динамиканы жобалау және жеңілдету 20-шы ғасырда дамыған бірлескен орналасуды басқару әдістеріне қосымша (немесе тіпті баламалы) тәсілге айналды. Сонымен қатар, жануарлардың пассивті динамикасы биомеханиктер мен интегративтік биологтарға қызығушылық тудырады, өйткені бұл динамикалар көбінесе биологиялық қозғалыстардың негізі болып табылады және нейромеханикалық бақылаумен үйлеседі. Пассивті динамиканы зерттеу және инжиниринг үшін ерекше маңызды салалар аяқты қозғалыс және манипуляция.

Тарих

Терминді және оның принциптерін 1980-ші жылдардың соңында Тад МакГир әзірледі. Британдық Колумбияның Бернаби қаласындағы Саймон Фрейзер университетінде болған кезінде МакГир адамның денесіндей дене мүшесі бұлшықеттер мен қозғалтқыштардың көмегінсіз беткейден өздігінен жүре алатынын көрсетті. Әр қимыл-қозғалысты басқару үшін моторларды пайдаланып энергия жұмсайтын дәстүрлі роботтардан айырмашылығы, МакГирдің алғашқы пассивті динамикалық машиналары тек ауырлық күші мен аяқ-қолдарының табиғи тербелісіне сүйеніп, таудан төмен қарай жылжыды.

Модельдер

Пассивті динамиканың бастапқы моделі адам мен жануар аяғының қозғалысына негізделген. Толық іске қосылатын жүйелер, мысалы Honda Asimo роботының аяқтары, өте тиімді емес, өйткені әр буынында қозғалтқыш пен басқару құралы бар. Адамның жүрісі әлдеқайда тиімді, өйткені қозғалыс әр буынына орнатылған моторлардың орнына аяқтардың табиғи тербелісі арқылы жүзеге асады. 1990 жылы Тад МакГирдің "Бұйрықпен жағымсыз жүру" атты мақаласында аяқпен жүру үшін тізелердің артықшылықтары туралы тамаша түсінік берілген. Ол тізелердің жүру жүйелеріне көптеген практикалық артықшылықтары бар екенін анық көрсетеді. МакГирдің айтуынша, тізе аяқ алға қарай тербелгенде аяқтардың жерге соқтығысу проблемасын шешеді, сондай-ақ кейбір жағдайларда тұрақтылықты қамтамасыз етеді. Пассивті динамика басқару саласындағы құнды қосымша болып табылады, өйткені ол жүйені механикалық және электрлік элементтердің үйлесімі ретінде басқарады. Бақылау әдістері әрқашан жүйенің механикалық әрекеттеріне (физикасына) негізделген болса, пассивті динамика морфологиялық есептеуді пайдаланады. Морфологиялық есептеу - механикалық жүйенің басқару функцияларын орындауға қабілеттілігі.

Пассивті динамиканы қолдану

Пассивті динамикалық жүргіштерге қосқанда жоғары тиімді робот жүргіштер пайда болады. Мұндай жүргіштерді кіші салмақта іске асыруға болады және аз энергия жұмсайды, өйткені олар тек бірнеше мотормен тиімді жүреді. Бұл комбинация жоғары "тасымалдаудың нақты шығындарын" тудырады. Жермен тең тасымалдауда энергия тиімділігі өлшемсіз "тасымалдаудың нақты құны" ретінде өлшенеді, бұл салмақ бірлігін бірлік қашықтықта тасымалдау үшін қажетті энергия мөлшері. Корнелл тиімді бипед сияқты пассивті динамикалық жүргіштердің адаммен бірдей нақты тасымалдау құны бар, 0,20. Бұл кездейсоқ емес, пассивті динамикалық жүргіштердің адам секілді жүрісі бар. Салыстырмалы түрде, Honda ASIMO екі аяқты, ол өзінің аяқ-қолдарының пассивті динамикасын пайдаланбайды, оның нақты тасымалдау құны 3,23-ті құрайды. Жүргізуші роботтар үшін қазіргі қашықтық рекорды 65,17 км, пассивті динамикаға негізделген Корнелл Рейнджері. Жақында протездерді жобалау мен басқаруда пассивті динамиканың рөлі анықталды. Пассивті динамика тиімді қозғалыстың математикалық модельдерін қамтамасыз еткендіктен, бұл ампутацияланғандарға аз энергия қажет ететін тиімді аяқ-қолдарды дамытудың қолайлы жолы. Эндрю Хансен, Стивен Гард және басқалар пассивті динамиканы пайдалану арқылы аяқ протездерін жақсарту бойынша кеңінен зерттеулер жүргізді. Пассивті екі аяқты роботтар әр түрлі хаотикалық мінез-құлықтарды көрсетеді, мысалы, екі бұрылысқа, аралық және дағдарысқа ұшырайды.