Harnessing Nonlinearities: Behavior Generation from Natural Dynamics
Juan Pablo Carbajal · Ghent University Academic Bibliography (Ghent University) · 2012
Diese Dissertation untersucht die Beziehung zwischen der Morphologie einer mechanischen Vorrichtung und dem beobachteten Verhalten, wenn diese in einer bestimmten Art und Weise gesteuert ist.Dies geschieht mit Hilfe zweier komplementärer Methoden: numerische Simulationen und Experimente.Die Experimente werden mit Hilfe von experimentellen Plattformen, sogenannten parametrischen Robotern durchgeführt.Das sind Geräte deren physikalische Parameter systematisch über ein Intervall, das von Interesse ist, verändert werden können.Numerische Simulationen werden mit Hilfe einfacher mathematischer Modelle durchgeführt, die entwickelt wurden, um die wichtigsten Aspekte des untersuchten Verhaltens zu reproduzieren.Zusätzlich behandelt diese Dissertation die Kontrolle mechanischer Arme.Deshalb wird über einen neuen Algorithmus berichtet, der auf dem natürlichen Verhalten dieser Geräte basiert: die Methode der Zerlegung in dynamischen Reaktionen (DRD).Die Auswertung des Algorithmus wird durch numerische Simulationen anhand von Modellen unterschiedlicher Komplexität durchgeführt.Im Zusammenhang mit Fortbewegung hat diese Arbeit das ehrgeizige Ziel, eine Brücke zwischen den Methoden aus ausgereiften Disziplinen und den Methoden aus verkörperter Künstlicher Intelligenz (embodied artificial intelligence) zu bauen.Mit diesem Ziel soll eine kurze Zusammenstellung von Methoden zur Analyse der experimentellen Ergebnisse gegeben werden sowie ein Überblick über die physikalischen Konzepte, die für das Thema relevant sind: Resonanzfrequenzen, Normalschwingungen und so weiter.Die meisten Diskussionen sind auf einem zugänglichen technischen Niveau für ein breites interdisziplinäres Publikum gehalten.Das erste Kapitel dieser Arbeit ist eine kurze Einführung in die Konzepte für das Verständnis der berichteten Ergebnisse.Kapitel 2 untersucht Fortbewegung zu Lande und im Wasser.Experimente mit drei parametrischen Robotern und ihren numerischen Modellen werden vorgestellt: Zürihopper, WandaX und MagE.Die drei Plattformen werden verwendet, um die Rolle zu evaluieren, die die mechanischen Eigenschaften für die Qualität des beobachteten Verhaltens haben.Die Nichtlinearitäten des WandaX und des Zürihoppers erlauben, dass die Eigenschaften des Körpers angepasst werden können, um Energie aus der Umgebung zu extrahieren und Verhalten zu generieren: Springen im Fall vom Zürihopper und Schwimmen durch Turbulenzen im Fall von WandaX.Die entdeckten Strategien, um diese Anpassungen zu machen, haben wichtige Ähnlichkeiten, welche die gemeinsame Natur der beiden Verhaltensweisen betonen.MagE wird verwendet um zu demonstrieren, wie magneto-mechanische Kopplung als alternativer Mechanismus für einen Unterwasserantrieb verwendet werden kann.In Kapitel 3 wird das Studium der physikalischen Parameter, welche am Springen beteiligt sind, aus der Perspektive der numerischen Simulation wiederaufgenommen.Das Bein eines einbeinigen Roboters wird optimiert, um die Sprunghöhe zu maximieren.Nichtlineare Beine haben bessere Leistungen als lineare Beine für eine Vielzahl von Situationen.Die Optimierung wird durch eine Interpretation der Ergebnisse in Bezug auf die Physik begleitet.Kapitel 4 und 5 bieten eine theoretische und numerische Präsentation der DRD-Methode.Dieser Algorithmus wird verwendet, um die Kontrollprobleme, welche mit dem biomechanischen Modell des oberen Torso zusammenhängen, zu lösen.Die Methode beinhaltet die Verwendung des natürlichen Verhaltens des Systems für die Zusammensetzung der gewünschter Trajektorie.Gleichzeitig ist DRD eines der ersten Modelle, das die Entwicklung von Muskel-Synergien (Hypothese der Biomechanik) erklärt.Die Arbeit schließt mit einer Zusammenfassung aller wissenschaftlichen Beiträge, die während ihrer Entwicklung erzeugt wurden (Kapitel 6).vi vii ResumenEn esta tesis se estudia la relación entre la morfología de un dispositivo mecánico y el comportamiento observado al actuarlo de manera determinada.Esta tarea se realiza utilizando dos metodologías complementarias: simulaciones numéricas y experimentos.Estos últimos se llevan acabo con la ayuda de plataformas experimentales denominadas robots paramétricos, i.e. dispositivos semejantes a robots cuyos parámetros físicos pueden ser variados de forma sistemática en un intervalo de interés.Las simulaciones numéricas se realizan utilizando modelos matemáticos sencillos desarrollados para reproducir los aspectos más importantes del comportamiento a estudiar.Adicionalmente, este documento trata sobre el control de brazos mecánicos.Por lo tanto se reporta un nuevo algoritmo de generación de movimiento basado en el comportamiento natural de estos dispositivos: el método de descomposición en respuestas dinámicas (DRD).La evaluación del algoritmo se realiza mediante simulaciones numéricas usando modelos de complejidad variada.En el contexto de locomoción, esta tesis tiene el ambicioso objetivo de fundar un puente entre las metodologías de estudio de disciplinas maduras y las metodologías de carácter ad hoc actualmente utilizadas en inteligencia artificial corporeizada (embodied artificial intelligence) y algunas sub-disciplinas de la robótica.Con este objetivo se brinda una breve recopilación de métodos para el análisis de resultados experimentales, como así también se repasan los conceptos físicos relevantes a la temática: frecuencias de resonancia, modos normales, etcétera.La mayoría de las discusiones se mantienen en un nivel técnico accesible a una amplia audiencia interdisciplinaria.El primer capítulo de este documento constituye una breve introducción a los conceptos necesarios para la comprensión de los resultados reportados.El capítulo 2 estudia la locomoción en tierra y agua.Se reportan experimentos realizados con tres robots paramétricos y sus modelos numéricos: Zürihopper, WandaX y MagE.Las tres plataformas se utilizan para evaluar el rol que las propiedades mecánicas tienen en la calidad del comportamiento observado.Las características no lineales de Zürihopper y WandaX permiten ajustar las propiedades del cuerpo para extraer energía del medio y generar comportamiento: saltar en el caso del Zürihopper y nadar a través de turbulencias en el caso de WandaX.Las estrategias encontradas para realizar estos ajustes presentan una similitud importante que resaltan la naturaleza en común de ambos comportamientos.MagE se utiliza para demostrar un mecanismo alternativo para la propulsión sub-acuatica basada en acoples magneto-mecánicos.En el capítulo 3 se retoma el estudio de parámetros físicos involucrados en la actividad de saltar (Zürihopper) desde la perspectiva de la simulación numérica.Se optimiza la pierna de un robot unípede con el fin de maximizar la altura de salto.Piernas no lineales presentan mejores desempeños que piernas lineales para una amplia gama de situaciones.La optimización se acompañan con una interpretación de los resultados en términos de la física involucrada.Los capítulos 4 y 5 presentan el método DRD de forma teórica y numérica.Este algoritmo se utiliza para resolver problemas de control en cadenas cinemáticas asociadas a modelos biomecánicos de la parte superior del torso humano.El método se basa en la utilización del movimiento natural del sistema para la composición de las trayectorias deseadas.Al mismo tiempo, DRD representa uno de los primeros modelos capaces de explicar el desarrollo de sinergias musculares (hipótesis proveniente de la biomecánica).La tesis finaliza con una recapitulación de todas las contribuciones científicas generadas durante su desarrollo (capítulo 6).