La dinámica pasiva se refiere al comportamiento dinámico de actuadores , robots u organismos cuando no extraen energía de un suministro (por ejemplo, baterías , combustible , ATP ). Dependiendo de la aplicación, considerar o alterar la dinámica pasiva de un sistema alimentado puede tener efectos drásticos en el rendimiento, en particular la economía de energía , la estabilidad y el ancho de banda de la tarea . Los dispositivos que no utilizan una fuente de alimentación se consideran "pasivos" y su comportamiento se describe completamente por su dinámica pasiva.
En algunos campos de la robótica (robótica con patas en particular), el diseño y un control más relajado de la dinámica pasiva se ha convertido en un enfoque complementario (o incluso alternativo) a los métodos de control de posicionamiento articular desarrollados durante el siglo XX. Además, la dinámica pasiva de los animales ha sido de interés para los biomecánicos y biólogos integradores , ya que estas dinámicas a menudo son la base de los movimientos biológicos y se combinan con el control neuromecánico .
Los campos particularmente relevantes para la investigación y la ingeniería de la dinámica pasiva incluyen la locomoción y manipulación con patas .
Historia
El término y sus principios fueron desarrollados por Tad McGeer a fines de la década de 1980. Mientras estaba en la Universidad Simon Fraser en Burnaby , Columbia Británica , McGeer demostró que un cuerpo similar a un humano puede caminar por una pendiente sin requerir músculos o motores. A diferencia de los robots tradicionales, que gastan energía mediante el uso de motores para controlar cada movimiento, las primeras máquinas pasivo-dinámicas de McGeer se basaban solo en la gravedad y el balanceo natural de sus extremidades para avanzar por una pendiente.
Modelos
El modelo original de dinámica pasiva se basa en movimientos de piernas de humanos y animales. Los sistemas completamente accionados, como las patas del robot Honda Asimo , no son muy eficientes porque cada articulación tiene un motor y un conjunto de control. Los pasos similares a los de los humanos son mucho más eficientes porque el movimiento es sostenido por el balanceo natural de las piernas en lugar de los motores colocados en cada articulación.
El artículo de 1990 de Tad McGeer "Caminar pasivo con las rodillas" [1] ofrece una excelente descripción general de las ventajas de las rodillas para caminar con las piernas. Demuestra claramente que las rodillas tienen muchas ventajas prácticas para los sistemas para caminar. Las rodillas, según McGeer, resuelven el problema de los pies que chocan con el suelo cuando la pierna se balancea hacia adelante y también ofrecen más estabilidad en algunos entornos.
La dinámica pasiva es una valiosa adición al campo de los controles porque se acerca al control de un sistema como una combinación de elementos mecánicos y eléctricos. Si bien los métodos de control siempre se han basado en las acciones mecánicas (física) de un sistema, la dinámica pasiva utiliza el descubrimiento de la computación morfológica. [2] El cálculo morfológico es la capacidad del sistema mecánico para realizar funciones de control.
Aplicar dinámica pasiva
Agregar activación a los caminantes dinámicos pasivos da como resultado caminantes robóticos altamente eficientes. Estos andadores se pueden implementar con una masa menor y utilizan menos energía porque caminan eficazmente con solo un par de motores. Esta combinación da como resultado un "costo específico de transporte" superior.
La eficiencia energética en el transporte a nivel del suelo se cuantifica en términos del "coste específico de transporte" adimensional, que es la cantidad de energía necesaria para transportar una unidad de peso por unidad de distancia. [3] Los caminantes dinámicos pasivos como el Cornell Efficient Biped [4] tienen el mismo costo específico de transporte que los humanos, 0.20. No por casualidad, los caminantes dinámicos pasivos tienen andares similares a los humanos. En comparación, el ASIMO bípedo de Honda , que no utiliza la dinámica pasiva de sus propias extremidades, tiene un costo específico de transporte de 3,23. [5]
El récord de distancia actual para los robots que caminan, 65,17 km, lo tiene el Cornell Ranger basado en la dinámica pasiva. [6]
La dinámica pasiva ha encontrado recientemente un papel en el diseño y control de prótesis . Dado que la dinámica pasiva proporciona los modelos matemáticos de movimiento eficiente, es una vía apropiada para desarrollar miembros eficientes que requieran menos energía para los amputados. Andrew Hansen, Steven Gard y otros han realizado una extensa investigación para desarrollar mejores prótesis de pie mediante la utilización de la dinámica pasiva. [7]
Los robots bípedos caminantes pasivos [8] [9] [10] exhiben diferentes tipos de comportamientos caóticos , por ejemplo, bifurcación , intermitencia y crisis .
Ver también
Referencias
- ^ McGeer, T. (1990). Caminata pasiva de rodillas (PDF) . Proceedings., IEEE International Conference on Robotics and Automation . Computación IEEE. Soc. Prensa. págs. 1640-1645. doi : 10.1109 / robot.1990.126245 . ISBN 978-0818690617.
- ^ Chandana Paul (2004). "Morfología y Computación". Actas de la Conferencia Internacional sobre la Simulación del Comportamiento Adaptativo : 33–38.
- ^ VA Tucker (1975). "El coste energético de moverse". Científico estadounidense . 63 (4): 413–419. PMID 1137237 .
- ^ Steve H. Collins; Martijn Wisse; Andy Ruina (2001). "Un robot caminante dinámico pasivo 3-D con dos piernas y rodillas". Revista Internacional de Investigación en Robótica . 20 (7): 607–615. doi : 10.1177 / 02783640122067561 .
- ^ Steve H. Collins; Martijn Wisse; Andy Ruina; Russ Tedrake (2005). "Robots bípedos eficientes basados en Walkers pasivo-dinámicos". Ciencia . 307 (5712): 1082–1085. doi : 10.1126 / science.1107799 . PMID 15718465 . y Steve H. Collins; Andy Ruina (2005). "Un robot caminante bípedo con una marcha eficiente y similar a la de un humano". Proc. Conferencia Internacional IEEE sobre Robótica y Automatización .
- ^ "Cornell Ranger" . Universidad de Cornell.
- ^ "Efectos del radio de balancín del pie protésico sobre la marcha de los usuarios de prótesis" . Archivado desde el original el 10 de abril de 2013 . Consultado el 25 de marzo de 2013 .
- ^ Goswami, Ambarish; Thuilot, Benoit; Espiau, Bernard (1998). "Un estudio de la marcha pasiva de un robot bípedo con forma de brújula: simetría y caos". La Revista Internacional de Investigación en Robótica . 17 (12): 1282–1301. CiteSeerX 10.1.1.17.4861 . doi : 10.1177 / 027836499801701202 .
- ^ Iqbal, Sajid; Zang, Xizhe; Zhu, Yanhe; Zhao, Jie (2014). "Bifurcaciones y caos en la marcha dinámica pasiva: una revisión". Robótica y sistemas autónomos . 62 (6): 889–909. doi : 10.1016 / j.robot.2014.01.006 .
- ^ Mariano, García; et al. (1998). "El modelo de caminar más simple: estabilidad, complejidad y escala". Revista de Ingeniería Biomecánica . 120.2: 281–288.
Bibliografía
- Tad McGeer (abril de 1990). "Caminata dinámica pasiva". Revista Internacional de Investigación en Robótica .
- VA Tucker (1975). "El coste energético de moverse". Científico estadounidense . 63 (4): 413–419. PMID 1137237 .
- Steve H. Collins; Martijn Wisse; Andy Ruina (2001). "Un robot caminante dinámico pasivo 3-D con dos piernas y rodillas". Revista Internacional de Investigación en Robótica . 20 (7): 607–615. doi : 10.1177 / 02783640122067561 .
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- Chandana Paul (2004). "Morfología y Computación". Actas de la Conferencia Internacional sobre la Simulación del Comportamiento Adaptativo : 33–38.
enlaces externos
- Cornell Biorobotics and Locomotion Lab : videos y artículos sobre caminantes dinámicos pasivos, incluidos los originales de McGeer, el Cornell Efficient Walker y el Cornell Ranger
- Droid Logic : simulaciones de caminantes y corredores dinámicos pasivos creados con robótica evolutiva
- Laboratorio de piernas del MIT : robots para caminar y correr que utilizan la dinámica natural
- Página de Robots de Steve Collins : Cornell Efficient Walker, su predecesor pasivo y referencias adicionales