Введение
Динамическое поведение приводов, роботов или организмов, когда они не черпают энергию из источника питания Пассивная динамика относится к динамическому поведению приводов, роботов или организмов, когда они не черпают энергию из источника питания (например, батареи, топливо, АТФ). В зависимости от применения, рассмотрение или изменение пассивной динамики системы с питанием может оказать существенное влияние на производительность, особенно энергосбережение, стабильность и пропускную способность задач. Устройства, не использующие источник питания, считаются "пассивными", и их поведение полностью описывается их пассивной динамикой. В некоторых областях робототехники (особенно в области ножных роботов) проектирование и более расслабленный контроль пассивной динамики стали дополнительным (или даже альтернативным) подходом к методам управления совместным позиционированием, разработанным в течение 20-го века. Кроме того, пассивная динамика животных интересна биомеханикам и интегративным биологам, поскольку эта динамика часто лежит в основе биологических движений и сочетается с нейромеханическим контролем. Особенно важными областями для исследования и разработки пассивной динамики являются ноги и манипуляции.
Passive dynamics refers to the dynamical behavior of actuators, robots, or organisms when not drawing energy from a supply (e. g., batteries, fuel, ATP). Depending on the application, considering or altering the passive dynamics of a powered system can have drastic effects on performance, particularly energy economy, stability, and task bandwidth. Devices using no power source are considered "passive", and their behavior is fully described by their passive dynamics. In some fields of robotics (legged robotics in particular), design and more relaxed control of passive dynamics has become a complementary (or even alternative) approach to joint positioning control methods developed through the 20th century. Additionally, the passive dynamics of animals have been of interest to biomechanists and integrative biologists, as these dynamics often underlie biological motions and couple with neuromechanical control. Particularly relevant fields for investigating and engineering passive dynamics include legged locomotion and manipulation.
История
Термин и его принципы были разработаны Тадом МакГиром в конце 1980-х годов. В университете Саймона Фрейзера в Бернаби, Британская Колумбия, МакГир показал, что человеческий организм может самостоятельно спускаться по склону без использования мышц или двигателей. В отличие от традиционных роботов, которые расходуют энергию, используя двигатели для управления каждым движением, ранние пассивные динамические машины МакГира полагались только на гравитацию и естественное качание конечностей, чтобы двигаться вперед по склону.
Модели
Первоначальная модель пассивной динамики основана на движениях ног человека и животных. Полностью приводятся в действие системы, такие как ноги робота Honda Asimo, не очень эффективны, потому что каждый сустав имеет двигатель и контроль сборки. Походка человека намного эффективнее, потому что движение поддерживается естественным поворотом ног вместо двигателей, установленных в каждом суставе. В статье Тада МакГира "Пассивная ходьба с коленями" из 1990 года дается отличный обзор преимуществ колен для ходьбы ногами. Он ясно показывает, что колени имеют много практических преимуществ для ходячих систем. Колени, по словам МакГира, решают проблему столкновения ног с землей, когда нога качается вперед, а также обеспечивают большую стабильность в некоторых ситуациях. Пассивная динамика является ценным дополнением к области управления, потому что она подходит к управлению системой как комбинация механических и электрических элементов. В то время как методы управления всегда основывались на механических действиях (физике) системы, пассивная динамика использует открытие морфологических вычислений. Морфологическое вычисление - это способность механической системы выполнять управляющие функции.
Применение пассивной динамики
Добавление привода к пассивным динамическим ходячим приводит к высокоэффективным роботам. Такие ходочные устройства могут быть реализованы при меньшей массе и потребляют меньше энергии, потому что они эффективно ходят только с парой двигателей. Эта комбинация приводит к более высокой "специфической стоимости транспортировки". Энергоэффективность при наземном транспортировке количественно определяется в терминах безразмерной "специфической стоимости транспортировки", которая представляет собой количество энергии, необходимое для перевозки единицы веса на единицу расстояния. Пассивные динамические ходоки, такие как Cornell Efficient Biped, имеют ту же специфическую стоимость транспортировки, что и люди, 0,20. Не случайно, пассивные динамические ходоки похожи на людей. Для сравнения, двуногий ASIMO Honda, который не использует пассивную динамику своих собственных конечностей, имеет специфическую стоимость транспортировки 3,23. Рекорд дистанции для ходячих роботов составляет 65,17 км, и принадлежит пассивной динамике на основе Корнелл Рейнджер. Пассивная динамика недавно нашла свою роль в проектировании и управлении протезами. Поскольку пассивная динамика обеспечивает математические модели эффективного движения, это подходящий путь для развития эффективных конечностей, требующих меньше энергии для ампутированных. Эндрю Хансен, Стивен Гард и другие провели обширные исследования в разработке лучших протезов ног, используя пассивную динамику. Пассивные ходячие двуногие роботы демонстрируют различные виды хаотического поведения, например, бифуркацию, прерывистость и кризис.