用咖啡散步是物理学的一点理解 - 对于机器人和自动化很重要

机器人服务的咖啡

了解自然过程背后的物理为软机器人,制造自动化提供了新的应用。

用咖啡散步是我们大多数人每天都在不考虑它所需的平衡行为。事实上,有很多物理学阻止咖啡溢出。

咖啡,一个容纳在杯热搅拌流体,具有内部自由度,与杯,相互作用,进而,与人类载体相互作用。

虽然人类拥有自然,或有天赋的,但我们对复杂物体的互动能力,我们对这些相互作用的理解 - 特别是在定量水平,近乎归零,“亚利桑那州立大学电气工程教授盈诚赖说。“我们没有有意识地分析外部因素,如噪音或气候的影响,就我们的互动。”

然而,了解这些外部因素是应用领域的基本问题,如软机器人。

“For example, in design of smart prosthetics, it is becoming increasingly important to build in natural modes of flexibility that mimic the natural motion of human limbs,” said Brent Wallace, a former undergraduate student of Lai’s and now a doctoral student in ASU’s Ira A. Fulton Schools of Engineering. “Such improvements make the prosthetic feel more comfortable and natural to the user.”

据赖,可以想象的是,在不太遥远的将来,机器人将在复杂的对象处理或控制各种应用程序,这需要的那种协调和运动控制,人类做的相当不错的部署。

如果机器人设计用于使用相对短的步伐长度行走,则允许步行频率的相对大的变化。但是,如果需要更长的步伐,则应仔细选择步行频率。

发表在新文件物理评论适用,“复杂对象控制中的同步过渡”起源于华莱士,作为他在电气工程中的高级设计项目的一部分,由Lai监督。华莱士已获得NSF毕业生奖学金,现在是ASU电气,计算机和能源工程学院的博士生。

ASU团队的研究在最近由东北大学的研究人员进行的突破性虚拟实验研究中,使用咖啡杯控股范例并添加滚球,检查人类如何操纵复杂物体。参与者故意以节奏的方式故意将杯子与变化力和频率变化的能力,以确保持有的球保持。

东北研究表明,参与者倾向于选择低频或高频策略 - 杯子的节奏运动 - 以处理复杂物体。

显着的发现是,当使用低频策略时,振荡表现出同相同步,但是当采用高频策略时出现防波酶同步。

“由于低频和高频都是有效的,因此可以想到一些参与者在虚拟实验转换策略中,”华莱士说。“这提出了问题。

“如何做一个过渡发生在从相同步的低频率的策略与高频策略,或者反之亦然相关联的反相同步相关联?”华莱士问。“在参数空间,是在同相和反相同步制度之间的边界尖锐的,渐进的或复杂的?”

ASU团队的研究促使Wallace的好奇心提示,使用附着在外部周期性强迫的移动推车上附着的摆锤的非线性动力学模型研究了同相和反相同步之间的过渡。

车摆系统示意图

A schematic illustration of the cart-pendulum system to simulate a human’s handling of a complex object, such as a cup of hot coffee: (a) a conceptual model of a ball rolling inside a circular cup and (b) a nonlinear mechanical model of a pendulum attached to a moving cart, which is mathematically described by a set of differential equations. Credit: Arizona State University

研究人员发现,在弱强制方式,作为外部驱动频率改变,所述过渡是突然的并且在共振的频率,这可以使用线性系统控制理论被完全理解发生。

除此之外,在同相和反相同步之间出现了一个过渡区域,在这个区域内,小车和摆的运动不同步。在低频侧的过渡区及其附近还发现了双稳定性。

总体而言,研究结果表明,人类能够从一个同步吸引器突然而有效地切换到另一个同步吸引器,这一机制可用于设计智能机器人,使其在变化的环境中自适应地处理复杂物体。

“这可能是人类能够顺利地同时使用同相和反相巧妙战略和开关从一个策略到另一个,也许甚至没有意识到这一点。这项研究的结果可以被用来实现这些人的技能与在其他领域,如康复和脑机接口应用软机器人,”赖说。

此外,作为在装配线上的汽车主体中的跑线的琐碎的任务 - 人类易于实现 - 仍然避开最先进的机器。

“人类如何进行系统的定量理解动态交互与他们的环境将永远改变我们如何设计我们的世界,并可能彻底改变智能假肢的制造和自动化的新时代的设计,迎来,”华莱士说。“通过模仿人类在处理复杂的对象所采用的动态有利的行为,我们将能够以先前流程自动化认为是不可能的。”

参考:Brent Wallace,Ling-Wei Kong,Armando Rodriguez和Ying-Cheng Lai,2021年7月7日,Brent Wallace:“复杂对象控制中的同步过渡”。物理评论适用
DOI:10.1103 / PhysRevApplied.16.034012

其他作者包括凌伟香港和阿曼多·罗德里格斯,也从ASU。

是第一个评论在“步行与咖啡是物理学的一个鲜为人知的壮举 - 重要的机器人与自动化”

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