Робототехника: мобильность

Начнем с общего рассмотрения животных, которые являются образцом подвижности в природе. Это заставляет нас занять позицию биоинспирации, а не биомимикрии, то есть извлекать принципы, а не видимости, и систематически применять их к нашим машинам. Немного подумав о типичной подвижности животных, мы сосредоточимся на придатках - конечностях и хвостах - как источниках движения. Вторая часть недели предлагает немного информации о физических и математических основах мобильности роботов на конечностях. Мы начнем с линейной системы пружина-масса-демпфер и рассмотрим обыкновенное дифференциальное уравнение второго порядка, которое описывает ее как динамическую систему первого порядка. Затем мы рассматриваем простой маятник - простейшую вращающуюся кинематическую конечность - таким же образом, просто чтобы дать представление о природе нелинейной динамики, которая неизбежно возникает в робототехнике. Закончим рассмотрением бассейнов стабильности и энергии.

Мы начнем с поведенческих компонентов, которые принимают форму того, что мы называем «шаблонами»: очень простых механизмов, движения которых являются фундаментальными для более сложных стратегий конечностей, используемых локомоторами животных и роботов. Мы сосредоточимся на «походке по компасу» (движение колеса без обода с двумя спицами) и подпружиненному перевернутому маятнику - сокращенным версиям ходунков на ногах и бегунов на ногах соответственно. компоненты мобильности. Мы начнем с понятия физических законов масштабирования, а затем рассмотрим полезные свойства материалов и связанные с ними показатели качества. Мы закончим кратким, но важным обзором науки и технологий приводов - всех важных источников движущих сил и крутящих моментов в наших роботах.

Теперь мы соберем вместе физические связи и суставы и рассмотрим геометрию и физику, необходимые для понимания их скоординированного движения. Мы узнаем о геометрии степеней свободы. Затем мы вернемся к Ньютону и научимся компактному способу записать физическую динамику, которая описывает положения, скорости и ускорения этих степеней свободы, когда они вынуждаются нашими исполнительными механизмами. Конечно, есть много разных способов поставить конечности и тела. вместе: опять же, животные могут многому нас научить, поскольку мы считаем лучшую морфологию для наших роботов с конечностями. У бегунов с раскинутой осанкой, таких как тараканы, шесть ног, которые обычно движутся по стереотипному образцу, который мы рассмотрим как модель для гексапедального механизма. У четвероногих животных есть свои собственные разнообразные модели походки, которые мы также сопоставим с различными конструкциями четвероногих роботов. Наконец, мы рассмотрим двуногие машины и воспользуемся возможностью отличить человекоподобных двуногих роботов, которые почти обречены на то, чтобы стать медленными квазистатическими машинами, от ряда менее похожих на животных двуногих роботов, чье использование биоинспирированных принципов позволяет они должны быть быстрыми бегунами и прыгунами.

Теперь мы вводим понятие динамической композиции, рассматривая два типа: композицию во времени, которую мы называем «последовательной»; и композицию в пространстве, которую мы называем «параллельной». Мы уделим немного больше внимания этой последней концепции, параллельной композиции и рассмотрим, что было сделано исторически, и что может быть гарантировано математически, когда простые шаблоны второй недели должны работать вместе «параллельно» над более сложными морфологиями. . В заключительном разделе урока на этой неделе вы познакомитесь с горизонтом исследования мобильности на ногах. Мы приводим примеры того, как одна и та же композиция может быть закреплена в разных телах, и, наоборот, как одно и то же тело можно заставить работать, используя разные композиции. В заключение мы кратко рассмотрим то, что известно о переходных формах поведения, таких как прыжки.