Обратная динамика - Inverse dynamics

Обратная динамика является обратная задача. Обычно это относится либо к обратной динамике твердого тела, либо к обратной структурная динамика. Обратный динамика твердого тела это метод вычисления сил и / или моменты силы (крутящие моменты) на основе кинематика (движение) тела и инерционные свойства тела (масса и момент инерции ). Обычно он использует модели сегментов связи для представления механического поведения взаимосвязанных сегментов, таких как конечности людей,[1] животные или роботы, где, учитывая кинематику различных частей, обратная динамика определяет минимальные силы и моменты, ответственные за отдельные движения. На практике обратная динамика вычисляет эти внутренние моменты и силы из измерений движения конечностей и внешних сил, таких как силы реакции земли, при специальном наборе предположений.[2][3]

Приложения

Поля робототехника и биомеханика составляют основные области применения обратной динамики.[нужна цитата ]

В робототехника, используются алгоритмы обратной динамики для расчета крутящие моменты что двигатели робота должны работать, чтобы конечная точка робота двигалась в соответствии с его текущей задачей. «Обратная задача динамики» в робототехнике была решена Эдуардо Байо в 1987 году. Это решение вычисляет, как каждый из многочисленных электродвигателей, управляющих манипулятором робота, должен двигаться, чтобы произвести определенное действие. Люди могут выполнять очень сложные и точные движения, например, достаточно хорошо управлять кончиком удочки, чтобы точно забросить приманку. Перед тем как рука двинется, мозг вычисляет необходимое движение каждой задействованной мышцы и сообщает мышцам, что делать, когда рука раскачивается. В случае манипулятора робота «мускулы» - это электродвигатели, которые должны вращаться на определенную величину в данный момент. Каждый двигатель должен получать необходимое количество электрического тока в нужное время. Исследователи могут предсказать движение руки робота, если они знают, как будут двигаться двигатели. Это известно как проблема прямой динамики. До этого открытия они не могли работать в обратном направлении, чтобы вычислить движения двигателей, необходимых для создания определенного сложного движения.[4] Работа Байо началась с применения методов частотной области к обратной динамике однолинейных гибких роботов. Этот подход позволил получить непричинные точные решения из-за наличия нулей в правой полуплоскости в функциях передачи крутящего момента ступицы на наконечник. Распространение этого метода на случай нелинейных мультигибких звеньев имело особое значение для робототехники. В сочетании с пассивным совместным управлением и совместными усилиями с контрольной группой подход Байо с обратной динамикой привел к экспоненциально стабильному управлению отслеживанием наконечника для гибких многосвязных роботов.[5]

Точно так же обратная динамика в биомеханике вычисляет чистый эффект поворота всех анатомических структур сустава, в частности мышц и связок, необходимых для создания наблюдаемых движений сустава. Эти моменты силы затем можно использовать для вычисления количества механическая работа выполненный этим моментом силы. Каждый момент силы может выполнять положительную работу для увеличения скорости и / или высоты тела или выполнять отрицательную работу для уменьшения скорости и / или высоты тела.[2][3] Уравнения движения, необходимые для этих расчетов, основаны на Ньютоновская механика в частности Уравнения Ньютона – Эйлера из:

Сила равный масса раз линейный ускорение, и
Момент равно момент инерции массы раз угловое ускорение.

Эти уравнения математически моделируют поведение конечности в терминах независимой от предметной области, модели сегмента связи, такой как идеализированная твердые тела вращения или скелет с конечностями фиксированной длины и совершенными шарнирными соединениями. Из этих уравнений обратная динамика определяет уровень крутящего момента (момента) в каждом суставе на основе движения прикрепленной конечности или конечностей, на которые воздействует сустав. Этот процесс, используемый для получения суставных моментов, известен как обратная динамика, потому что он обращает на противоположные уравнения прямой динамики движения, систему дифференциальных уравнений, которые определяют положение и угловые траектории конечностей идеализированного скелета на основе приложенных ускорений и сил.

Из суставных моментов биомеханик может вывести мышечные силы, которые приведут к этим моментам, на основе модели прикрепления костей и мышц и т. Д., Таким образом оценивая активацию мышц по кинематическому движению.

Правильное вычисление значений силы (или момента) из обратной динамики может быть сложной задачей, потому что внешние силы (например, силы контакта с землей) влияют на движение, но не наблюдаются напрямую из кинематического движения. Кроме того, совместная активация мышц может привести к ряду решений, неотличимых от кинематических характеристик движения. Более того, замкнутые кинематические цепи, такие как взмах биты или бросок хоккейной шайбы, требуют измерения внутренних сил (в бите или клюшке), прежде чем можно будет вычислить моменты и силы плеча, локтя или запястья.[2]

Смотрите также

  • Кинематика
  • Обратная кинематика: задача, похожая на обратную динамику, но с другими целями и исходными предположениями. В то время как обратная динамика требует крутящих моментов, которые создают определенную траекторию положений и скоростей во времени, обратная кинематика требует только статический набор углов суставов, так что определенная точка (или набор точек) персонажа (или робота) расположена в определенном обозначенном месте. Он используется при синтезе внешнего вида человеческого движения, особенно в области дизайна видеоигр. Другое применение - в робототехнике, где углы сочленения руки должны рассчитываться исходя из желаемого положения рабочего органа.
  • Параметры сегмента тела

Рекомендации

  1. ^ Крауниншилд, Р. Д., Джонстон, Р. К., Эндрюс, Дж. Г. и Бранд, Р. А. (1978). «Биомеханическое исследование бедра человека». Журнал биомеханики. 11 (1): 75–85. Дои:10.1016/0021-9290(78)90045-3.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  2. ^ а б c Робертсон Д. Г. и др., Методы исследования в биомеханике, Шампейн, Иллинойс: Human Kinetics Pubs., 2004.
  3. ^ а б Винтер, Д.А. (1991). Биомеханика и моторный контроль походки человека: нормальный, пожилой и патологический.. Ватерлоо, Онтарио: Университет Ватерлоо Press.
  4. ^ "New Scientist Magazine". 25, август 1988 г. Стр. 34, «Загадка роботов разгадана».
  5. ^ Байо Э., "Метод конечных элементов для управления движением конечной точки одинарного гибкого робота", "Журнал робототехнических систем", Vol. 4, № 1, с. 63–75. Февраль 1987 г.
  • Kirtley, C .; Уиттл, M.W; Джефферсон, Р.Дж. (1985). «Влияние скорости ходьбы на параметры походки». Журнал биомедицинской инженерии. 7 (4): 282–8. Дои:10.1016 / 0141-5425 (85) 90055-X. PMID  4057987.
  • Дженсен Р.К. (1989). «Изменение пропорций инерции сегментов от четырех до двадцати лет». Журнал биомеханики. 22 (6–7): 529–36. Дои:10.1016/0021-9290(89)90004-3. PMID  2808438.

внешняя ссылка

  • Обратная динамика Обзор исследований Криса Кертли и учебные пособия по биомеханическим аспектам походки человека.