역역학

Inverse dynamics

역학 역학은 역학 문제다. 일반적으로 역강체 신체역학 또는 역구조역학을 가리킨다. 역강체-신체 역학이란 신체의 운동학(운동)과 신체의 관성 특성(관성의 질량과 모멘트)을 바탕으로 힘 및/또는 힘의 모멘트(토크)를 계산하는 방법이다. 일반적으로 링크 세그먼트 모델을 사용하여 인간[1] 또는 동물의 사지 또는 로봇의 관절 확장 등과 같이 상호 연결된 세그먼트의 기계적 행동을 나타내며, 여기서 다양한 부분의 운동학적으로 볼 때 역역학적으로 인해 개별 이동을 담당하는 최소 힘과 모멘트가 도출한다. 실제로 역역학에서는 이러한 내부 모멘트와 힘을 특수한 가정 하에서 사지의 운동과 지반 반응 힘과 같은 외부 힘을 측정하여 계산한다.[2][3]

적용들

로봇공학 및 생체역학 분야는 역학역학의 주요 응용 분야를 구성한다.[citation needed]

로봇공학에서는 역역학 알고리즘을 사용하여 로봇의 엔드포인트가 현재 직무에서 규정한 방식으로 이동하도록 하기 위해 로봇 모터가 전달해야 하는 토크를 계산한다. 로보틱스 엔지니어링의 "역학 역학 문제"는 1987년 에두아르도 바요에 의해 해결되었다. 이 용액은 로봇 암을 제어하는 수많은 전기 모터가 어떻게 움직여야 특정한 동작을 만들 수 있는지를 계산한다. 인간은 낚싯대 끝을 정확히 던질 수 있을 정도로 잘 조절하는 등 매우 복잡하고 정확한 동작을 할 수 있다. 팔이 움직이기 전에 뇌는 관련된 각 근육의 필요한 움직임을 계산하고 팔이 흔들리면 어떻게 해야 하는지 근육에게 알려준다. 로봇 암의 경우, "근육"은 주어진 순간에 주어진 양만큼 회전해야 하는 전기 모터다. 각 모터는 적절한 양의 전류를 적절한 시기에 공급해야 한다. 연구자들은 모터가 어떻게 움직일지 알면 로봇 팔의 움직임을 예측할 수 있다. 이것은 전방 역학 문제로 알려져 있다. 이 발견이 있기 전까지 그들은 특정한 복잡한 움직임을 생성하는 데 필요한 모터의 움직임을 계산하기 위해 거꾸로 일할 수 없었으며,[4] 바요의 작업은 단일 링크 유연 로봇의 역역학에 주파수 영역 방법을 적용하는 것으로 시작되었다. 이 접근방식은 허브-토크-팁 전송 기능에서 오른쪽 반쪽 면 0 때문에 정확한 해결책이 나오지 않았다. 이 방법을 비선형 다중 유연 링크 케이스로 확장하는 것은 로봇공학에 특히 중요했다. 제어 그룹과의 협업 노력에서 수동적인 관절 제어와 결합했을 때, Bayo의 역역학 접근은 유연한 다중 링크 로봇에 대한 기하급수적으로 안정적인 팁 추적 제어를 이끌었다.[5]

마찬가지로 생체역학에서 역역학은 관절 전체, 특히 근육과 인대에 걸친 모든 해부학적 구조의 순회전 효과를 계산하는데, 관절의 관찰된 움직임을 생성하는 데 필요하다. 이 힘의 모멘트는 그 힘의 모멘트에 의해 수행되는 기계적 작업의 양을 계산하는 데 사용될 수 있다. 힘의 각 순간은 신체의 속도 및/또는 높이를 증가시키기 위해 긍정적인 작업을 수행하거나 신체의 속도 및/또는 높이를 감소시키기 위해 부정적인 작업을 수행할 수 있다.[2][3] 이러한 계산에 필요한 운동 방정식은 뉴턴 역학, 특히 뉴턴-오일러 방정식에 기초한다.

질량 곱하기 선형 가속력,
모멘트는 관성의 질량 모멘트 시간 각 가속도와 같다.

이러한 방정식은 이상적인 회전 고형물 또는 고정 길이 팔다리와 완벽한 피벗 관절을 가진 골격과 같은 지식 영역 독립적인 링크 세그먼트 모델 측면에서 사지의 행동을 수학적으로 모델링한다. 이러한 방정식에서 역역학은 관절의 영향을 받는 부착된 사지 또는 사지의 움직임에 기초하여 각 관절의 토크(순간) 레벨을 도출한다. 관절 모멘트를 도출하는 데 사용되는 이 과정은 이상적인 골격 사지의 위치와 각도 궤적을 가하는 미분 방정식의 집합인 전방 역학 방정식을 역행하기 때문에 역역학이라고 알려져 있다.

생체역학자는 관절 순간부터 뼈와 근육 부착물 등에 기초하여 그러한 순간으로 이어지는 근육의 힘을 유추하여 운동운동으로 인한 근육의 활성화를 추정할 수 있었다.

역동학으로부터 정확한 힘(또는 모멘트) 값을 계산하는 것은 어려운 일이 될 수 있다. 왜냐하면 외부 힘(예: 지면 접촉 힘)은 운동에 영향을 미치지만 운동 운동 운동으로부터 직접 관측할 수 없기 때문이다. 또한 근육의 공동 활성화는 운동운동의 특성과 구별할 수 없는 해결책의 가족으로 이어질 수 있다. 나아가 배트를 휘두르거나 하키 퍽을 쏘는 등 닫힌 키네마틱 체인은 어깨, 팔꿈치 또는 손목 모멘트를 얻기 전에 내력(배트나 스틱 안)을 측정해야 하며 힘을 유도할 수 있다.[2]

참고 항목

  • 운동학
  • 역동학: 역학 역학과 유사하지만 다른 목표와 시작 가정이 있는 문제. 역역학에서는 위치와 속도의 특정 시간 역주행을 생성하는 토크를 요구하는 반면 역역학에서는 문자(또는 로봇)의 특정 지점(또는 일련의 지점)이 특정 지정된 위치에 배치되도록 정적 접합 각도 세트만 요구한다. 그것은 특히 비디오 게임 디자인 분야에서 인간의 움직임의 외관을 합성하는데 사용된다. 또 다른 용도는 로봇공학에서 사용되며, 여기서 팔의 관절 각도는 엔드 이펙터의 원하는 위치에서 계산되어야 한다.
  • 신체 세그먼트 파라미터

참조

  1. ^ Crowninshield, R. D., Johnston, R. C., Andrews, J. G., & Brand, R. A. (1978). "A biomechanical investigation of the human hip". Journal of Biomechanics. 11 (1): 75–85. doi:10.1016/0021-9290(78)90045-3.{{cite journal}}: CS1 maint : 복수이름 : 작성자 목록(링크)
  2. ^ a b c Robertson DGE, 등. 생물역학 연구 방법, Champaign IL:휴먼 키네틱스 펍, 2004.
  3. ^ a b Winter, D.A. (1991). The biomechanics and motor control of human gait: normal, elderly and pathological. Waterloo, Ontario: University of Waterloo Press.
  4. ^ "New Scientist Magazine" 1988년 8월 25일. 페이지 34, "로봇 수수께끼 해결"
  5. ^ Bayo E, "단일 링크 플렉시블 로보트의 엔드 포인트 운동을 제어하기 위한 유한 요소 접근", "로보틱 시스템의 저널" 4, 1번, 페이지 63–75. 1987년 2월.

외부 링크

  • 역학역학 크리스 커틀리의 연구결과와 인간 걸음걸이의 생체역학적인 측면에 대한 자습서.