Passive Dynamik

Passivdynamik bezieht sich auf das dynamische Verhalten von Aktuatoren, Robotern oder Organismen, wenn keine Energie aus einem Vorrat (z. B. Batterien, Kraftstoff, ATP) entnommen wird. Je nach Anwendung kann die Berücksichtigung oder Änderung der passiven Dynamik eines angetriebenen Systems drastische Auswirkungen auf die Leistung haben, insbesondere im Hinblick auf Energieeffizienz, Stabilität und Aufgabenbandbreite. Geräte, die keine Stromquelle verwenden, werden als „passiv“ betrachtet und ihr Verhalten wird vollständig durch ihre passive Dynamik beschrieben.

In einigen Bereichen der Robotik (insbesondere der Robotik mit Beinen) ist das Design und die entspanntere Steuerung der Passivdynamik zu einem komplementären (oder sogar alternativen) Ansatz für die im 20. Jahrhundert entwickelten Steuerungsmethoden für die Gelenkpositionierung geworden. Darüber hinaus war die passive Dynamik von Tieren für Biomechaniker und integrative Biologen von Interesse, da diese Dynamik oft biologischen Bewegungen unterliegt und mit einer neuromechanischen Kontrolle gekoppelt ist.

Zu den für die Untersuchung und Entwicklung der passiven Dynamik relevanten Bereichen gehören insbesondere die Bewegung der Beinbewegung und die Manipulation.

Geschichte
Der Begriff und seine Prinzipien wurden Ende der achtziger Jahre von Tad McGeer entwickelt. Während seiner Zeit an der Simon Fraser University in Burnaby, British Columbia, zeigte McGeer, dass ein menschenähnlicher Rahmen sich ohne Muskeln oder Motoren selbst abwärts bewegen kann. Im Gegensatz zu herkömmlichen Robotern, die Energie durch den Einsatz von Motoren zur Steuerung jeder Bewegung aufwenden, stützten sich McGeers frühe passivdynamische Maschinen nur auf die Schwerkraft und das natürliche Schwingen ihrer Gliedmaßen, um einen Abhang vorwärts zu bewegen.

Modelle
Das ursprüngliche Modell der passiven Dynamik basiert auf menschlichen und tierischen Beinbewegungen. Vollständig betätigte Systeme wie die Beine des Honda Asimo-Roboters sind nicht sehr effizient, da jedes Gelenk über eine Motor- und Steuerungsbaugruppe verfügt. Menschenähnliche Gänge sind viel effizienter, da die Bewegung durch die natürliche Bewegung der Beine und nicht durch Motoren an jedem Gelenk unterstützt wird.

Tad McGeers Arbeit aus dem Jahr 1990 „Passives Gehen mit den Knien“ bietet einen hervorragenden Überblick über die Vorteile der Knie beim Gehen. Er zeigt deutlich, dass Knie viele praktische Vorteile für Gehsysteme haben. Laut McGeer lösen Knie das Problem, dass Füße mit dem Boden kollidieren, wenn das Bein nach vorne schwingt, und bieten in manchen Situationen auch mehr Stabilität.

Die Passivdynamik ist eine wertvolle Ergänzung im Bereich der Steuerungen, da sie sich der Steuerung eines Systems als Kombination mechanischer und elektrischer Elemente nähert. Während Kontrollmethoden immer auf den mechanischen Einwirkungen (Physik) eines Systems basieren, nutzt die passive Dynamik die Entdeckung morphologischer Berechnungen. Morphologische Berechnung ist die Fähigkeit des mechanischen Systems, Steuerfunktionen auszuführen.

Passive Dynamik anwenden
Durch die Aktivierung passiver dynamischer Wanderer ergeben sich hocheffiziente Roboter-Wanderer. Solche Wanderer können mit geringerem Gewicht eingesetzt werden und verbrauchen weniger Energie, da sie mit nur wenigen Motoren effektiv laufen. Diese Kombination führt zu überlegenen „spezifischen Transportkosten“.

Die Energieeffizienz im Ebenentransport wird anhand der dimensionslosen „spezifischen Transportkosten“ quantifiziert, dh der Energiemenge, die erforderlich ist, um ein Gewicht einer Einheit pro Einheit zu tragen. Passive dynamische Wanderer wie der Cornell Efficient Biped haben die gleichen spezifischen Transportkosten wie Menschen (0,20). Nicht zufällig haben passive dynamische Wanderer menschenähnliche Gangarten. Im Vergleich dazu hat Honda Biped ASIMO, das die passive Dynamik seiner eigenen Gliedmaßen nicht nutzt, spezifische Transportkosten von 3,23.

Der derzeitige Distanzrekord für Laufroboter (65,17 km) wird vom Passivdynamik-Spezialisten Cornell Ranger gehalten.

Die passive Dynamik hat kürzlich eine Rolle bei der Gestaltung und Kontrolle von Prothesen gefunden. Da die Passivdynamik die mathematischen Modelle für effiziente Bewegung liefert, ist dies ein geeigneter Weg, um effiziente Gliedmaßen zu entwickeln, die für Amputierte weniger Energie benötigen. Andrew Hansen, Steven Gard und andere haben sich intensiv mit der Entwicklung einer besseren Fußprothetik unter Verwendung passiver Dynamik befasst.

Biped-Roboter mit passivem Gehen weisen unterschiedliche Arten von chaotischem Verhalten auf, z. B. Gabelung, Unterbrechung und Krise.