الديناميكيات السلبية

📅 آخر تحديث: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة

تشير الديناميكيات السلبية إلى السلوك الديناميكي للمحركات أو الروبوتات أو الكائنات الحية عندما لا تستمد الطاقة من مصدر خارجي (مثل البطاريات أو الوقود أو الأدينوسين ثلاثي الفوسفات ). وبحسب التطبيق، فإن مراعاة الديناميكيات السلبية لنظام يعمل بالطاقة أو تغييرها قد يؤثر بشكل كبير على الأداء، لا سيما كفاءة استهلاك الطاقة والاستقرار ونطاق المهام . تُعتبر الأجهزة التي لا تستخدم أي مصدر طاقة "سلبية"، ويُمكن وصف سلوكها بالكامل من خلال ديناميكياتها السلبية.

في بعض مجالات الروبوتات ( وخاصة الروبوتات ذات الأرجل )، أصبح تصميم ديناميكيات الحركة السلبية والتحكم بها بشكل أكثر مرونة نهجًا تكميليًا (أو حتى بديلًا) لأساليب التحكم في تحديد موضع المفاصل التي طُوّرت خلال القرن العشرين. إضافةً إلى ذلك، حظيت ديناميكيات الحركة السلبية للحيوانات باهتمام علماء الميكانيكا الحيوية وعلماء الأحياء التكاملية ، إذ غالبًا ما تُشكّل هذه الديناميكيات أساس الحركات البيولوجية وترتبط بالتحكم العصبي الميكانيكي .

تشمل المجالات ذات الصلة بشكل خاص بالتحقيق في الديناميكيات السلبية وهندستها الحركة والتلاعب بالأرجل .

تاريخ

طوّر تاد ماكجير هذا المصطلح ومبادئه في أواخر ثمانينيات القرن الماضي. أثناء عمله في جامعة سيمون فريزر في بورنابي ، كولومبيا البريطانية ، أثبت ماكجير أن هيكلاً شبيهاً بالإنسان يمكنه أن يسير بنفسه على منحدر دون الحاجة إلى عضلات أو محركات. على عكس الروبوتات التقليدية التي تستهلك الطاقة باستخدام المحركات للتحكم في كل حركة، اعتمدت آلات ماكجير الديناميكية السلبية المبكرة على الجاذبية فقط والتأرجح الطبيعي لأطرافها للتحرك للأمام على المنحدر.

نماذج

يعتمد النموذج الأصلي للديناميكيات السلبية على حركات أرجل الإنسان والحيوان. أما الأنظمة المُشغّلة بالكامل، مثل أرجل روبوت هوندا أسيمو ، فهي ليست فعّالة للغاية لأن كل مفصل يحتوي على محرك ووحدة تحكم. في المقابل، تُعدّ المشيات الشبيهة بالمشيات البشرية أكثر كفاءة بكثير، لأن الحركة تُحافظ عليها الحركة الطبيعية للأرجل بدلاً من المحركات الموجودة في كل مفصل.

محاكاة المشي الديناميكي السلبي في Webots .

تُقدّم ورقة تاد ماكجير البحثية لعام 1990 بعنوان "المشي السلبي باستخدام الركبتين" [ 1 ] نظرة عامة ممتازة حول مزايا استخدام الركبتين في المشي. ويُبيّن بوضوح أن للركبتين العديد من المزايا العملية لأنظمة المشي. فبحسب ماكجير، تُحلّ الركبتان مشكلة اصطدام القدمين بالأرض عند تحريك الساق للأمام، كما تُوفّران مزيدًا من الثبات في بعض الحالات.

تُعدّ الديناميكيات السلبية إضافة قيّمة لمجال التحكم، إذ تُعالج التحكم في النظام باعتباره مزيجًا من العناصر الميكانيكية والكهربائية. وبينما لطالما اعتمدت أساليب التحكم على التأثيرات الميكانيكية (الفيزيائية) للنظام، تستفيد الديناميكيات السلبية من اكتشاف الحوسبة المورفولوجية. [ 2 ] الحوسبة المورفولوجية هي قدرة النظام الميكانيكي على أداء وظائف التحكم.

تطبيق الديناميكيات السلبية

يؤدي إضافة نظام تحريك إلى الروبوتات المتحركة الديناميكية السلبية إلى إنتاج روبوتات متحركة عالية الكفاءة. يمكن تصنيع هذه الروبوتات بكتلة أقل واستهلاك طاقة أقل لأنها تتحرك بكفاءة باستخدام محركين فقط. ينتج عن هذا المزيج انخفاض ملحوظ في "التكلفة النوعية للنقل".

تُقاس كفاءة الطاقة في النقل على أرض مستوية بمصطلح "التكلفة النوعية للنقل"، وهو كمية الطاقة اللازمة لحمل وحدة وزن لمسافة وحدة واحدة. [ 3 ] تتمتع الروبوتات ثنائية الأرجل ذات الحركة الديناميكية السلبية، مثل روبوت كورنيل ثنائي الأرجل الفعال [ 4 ]، بنفس التكلفة النوعية للنقل التي يتمتع بها البشر، وهي 0.20. ومن الجدير بالذكر أن هذه الروبوتات تتميز بمشيات شبيهة بالبشر. في المقابل، تبلغ التكلفة النوعية للنقل لروبوت هوندا ثنائي الأرجل ASIMO ، الذي لا يعتمد على الحركة الديناميكية السلبية لأطرافه، 3.23. [ 5 ]

 يحمل الروبوت كورنيل رينجر، الذي يعتمد على الديناميكيات السلبية، الرقم القياسي الحالي لمسافة السير للروبوتات، وهو 65.17 كم. [ 6 ]

وجدت الديناميكا السلبية مؤخرًا دورًا في تصميم الأطراف الاصطناعية والتحكم بها . ولأنها توفر النماذج الرياضية للحركة الفعالة، فهي تُعدّ سبيلًا مناسبًا لتطوير أطراف فعالة تتطلب طاقة أقل للمبتورين. وقد أجرى أندرو هانسن وستيفن غارد وآخرون أبحاثًا مستفيضة في تطوير أطراف اصطناعية أفضل للقدم باستخدام الديناميكا السلبية. [ 7 ]

تُظهر الروبوتات ثنائية الأرجل التي تسير بشكل سلبي [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] أنواعًا مختلفة من السلوكيات الفوضوية على سبيل المثال، التشعب والتقطع والأزمة .

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ ماكجير، ت. (1990). "المشي السلبي بالركبتين" (ملف PDF) . وقائع المؤتمر الدولي لهندسة الروبوتات والأتمتة التابع لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات . مطبعة جمعية الحاسوب التابعة لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات. الصفحات 1640-1645 . doi : 10.1109/robot.1990.126245 . ISBN  978-0818690617. S2CID 9479874 . 
  2. ↑ تشاندانا بول (2004). "المورفولوجيا والحوسبة". وقائع المؤتمر الدولي حول محاكاة السلوك التكيفي : 33-38 .
  3. ↑ في. أ. تاكر (1975). "التكلفة الطاقية للتنقل". مجلة العالم الأمريكي . 63 (4): 413-419 . رمز Bibcode : 1975AmSci..63..413T . PMID 1137237 . 
  4. ↑ ستيف إتش كولينز؛ مارتين ويس؛ آندي روينا (2001). "روبوت مشي ديناميكي سلبي ثلاثي الأبعاد ذو ساقين وركبتين". المجلة الدولية لأبحاث الروبوتات . 20 (7): 607-615 . doi : 10.1177/02783640122067561 . S2CID 12350943 . 
  5. ↑ ستيف إتش كولينز؛ مارتين ويس؛ آندي روينا؛ روس تيدريك (2005). "روبوتات ثنائية الأرجل فعالة تعتمد على المشاة الديناميكية السلبية". مجلة ساينس . 307 (5712): 1082-1085 . رمز Bibcode : 2005Sci...307.1082C . doi : 10.1126/science.1107799 . PMID 15718465. S2CID 1315227 .  وستيف إتش كولينز؛ آندي روينا (2005). "روبوت يمشي على قدمين بمشية فعالة تشبه مشية الإنسان". وقائع المؤتمر الدولي لهندسة الروبوتات والأتمتة التابع لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات .
  6. ↑ "كورنيل رينجر" . جامعة كورنيل.
  7. ↑ "تأثيرات نصف قطر تأرجح القدم الاصطناعية على مشية مستخدمي الأطراف الاصطناعية" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 25-03-2013 .{{cite web}}: CS1 maint: deprecated archiveal service ( link )
  8. ↑ غوسوامي، أمباريش؛ ثويلوت، بينوا؛ إسبياو، برنارد ( 1998). "دراسة المشية السلبية لروبوت ثنائي الأرجل يشبه البوصلة: التناظر والفوضى". المجلة الدولية لأبحاث الروبوتات . 17 (12): 1282-1301 . CiteSeerX 10.1.1.17.4861 . doi : 10.1177/027836499801701202 . S2CID 1283494 .  
  9. ↑ إقبال، ساجد؛ زانغ، شيزه؛ تشو، يانهي؛ تشاو، جي (2014). "التشعبات والفوضى في المشي الديناميكي السلبي: مراجعة". الروبوتات والأنظمة المستقلة . 62 (6): 889-909 . doi : 10.1016/j.robot.2014.01.006 .
  10. ↑ ماريانو، غارسيا؛ وآخرون (1998). "أبسط نموذج للمشي: الاستقرار، والتعقيد، والقياس". مجلة الهندسة الميكانيكية الحيوية . 120 (2): 281-288 . doi : 10.1115/1.2798313 . PMID 10412391 .  

فهرس

  • تاد ماكجير (أبريل 1990). "المشي الديناميكي السلبي". المجلة الدولية لأبحاث الروبوتات .
  • في. أ. تاكر (1975). "التكلفة الطاقية للتنقل". مجلة العالم الأمريكي . 63 (4): 413-419 . رمز Bibcode : 1975AmSci..63..413T . PMID 1137237 . 
  • ستيف إتش كولينز؛ مارتين ويس؛ آندي روينا (2001). "روبوت مشي ديناميكي سلبي ثلاثي الأبعاد ذو ساقين وركبتين". المجلة الدولية لأبحاث الروبوتات . 20 (7): 607-615 . doi : 10.1177/02783640122067561 . S2CID 12350943 . 
  • ستيف إتش كولينز؛ مارتين ويس؛ آندي روينا؛ روس تيدريك (2005). "روبوتات ثنائية الأرجل فعّالة تعتمد على المشاة الديناميكية السلبية". مجلة ساينس . 307 (5712): 1082-1085 . رمز Bibcode : 2005Sci...307.1082C . doi : 10.1126/science.1107799 . PMID 15718465. S2CID 1315227 .  وستيف إتش كولينز؛ آندي روينا (2005). "روبوت يمشي على قدمين بمشية فعالة تشبه مشية الإنسان". وقائع المؤتمر الدولي لهندسة الروبوتات والأتمتة التابع لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات .
  • تشاندانا بول (2004). "علم التشكل والحوسبة". وقائع المؤتمر الدولي حول محاكاة السلوك التكيفي : 33-38 .