Cost of Transport

Auch genannt: CoT, COT, specific resistance
Kategorie: Actuation & drivetrain › Ratings
Schlagwörter: legged-locomotion, energy-efficiency, metrics, reinforcement-learning, actuation

Ein dimensionsloses Maß für die Effizienz der Fortbewegung: die Energie, die nötig ist, um einen Körper über eine gegebene Strecke zu bewegen, geteilt durch sein Gewicht mal diese Strecke.

Definition

Transportkosten (Cost of Transport, CoT) messen, wie viel Energie ein Roboter, ein Tier oder ein Fahrzeug aufwendet, um sich selbst fortzubewegen. Sie sind definiert als Energie geteilt durch Gewicht mal Strecke, E / (m g d), oder gleichwertig als Leistung geteilt durch Gewicht mal Geschwindigkeit, P / (m g v). Die Division durch Gewicht und Strecke macht die Größe dimensionslos, sodass ein kleiner Vierbeiner, ein Humanoider, ein Auto und ein laufendes Tier auf derselben Skala verglichen werden können. Die Idee geht auf den Fahrzeugvergleich von Gabrielli und von Kármán aus dem Jahr 1950 zurück, in dem dasselbe Verhältnis spezifischer Widerstand (Specific Resistance) genannt wurde.

Der Wert hängt stark davon ab, welche Energie gezählt wird. Gesamte oder elektrische CoT verwendet die gesamte aus der Batterie bezogene Leistung, einschließlich Motorverlusten, Elektronik und Rechnern. Mechanische CoT verwendet nur die an den Gelenken abgegebene mechanische Leistung, meist die Summe von Gelenkmoment mal Gelenkgeschwindigkeit über alle Aktuatoren. Eine verbreitete Konvention zählt nur positive mechanische Arbeit, weil durch Bremsen aufgenommene Energie in der Regel als Wärme verloren geht, statt in die Batterie zurückzufließen; das Summieren vorzeichenbehafteter Leistung würde negative Arbeit positive Arbeit aufheben lassen und die tatsächlichen Kosten unterschätzen. Veröffentlichungen müssen daher angeben, welche Definition sie verwenden, und Zahlen aus verschiedenen Definitionen sollten nicht direkt verglichen werden.

Die Transportkosten ändern sich mit Geschwindigkeit, Gangart und Gelände. Bei Tieren und vielen Robotern hat jede Gangart einen Geschwindigkeitsbereich, in dem die CoT am niedrigsten ist, und ein Wechsel der Gangart kann sie bei höheren Geschwindigkeiten wieder senken. Bei gelernter Fortbewegung dient die CoT sowohl als Bewertungsmetrik als auch als Belohnungs- oder Strafterm, der effiziente, natürlich wirkende Bewegungen fördert; sie ist außerdem ein gängiger Weg zu zeigen, dass eine mit Bewegungs-Priors (Motion Priors) trainierte Policy weniger Energie verbraucht als eine mit von Hand abgestimmten Belohnungen trainierte.

Warum es wichtig ist

Die Batteriekapazität begrenzt, wie lange und wie weit mobile Roboter arbeiten können, und die Erwärmung der Aktuatoren begrenzt, wie stark sie belastet werden können. Die Transportkosten verwandeln Effizienz in eine einzige Zahl, die sich über Konstruktionen, Regler und Geschwindigkeiten hinweg vergleichen lässt, was bei der Wahl zwischen Gangarten, Aktuatoren und Regelungsstrategien hilft.

Wichtige Anwendungen

Vergleich der Energieeffizienz von Laufroboter-Konstruktionen und Reglern
Belohnungs- und Strafterme für gelernte Fortbewegungs-Policies
Wahl von Gangarten und Geschwindigkeiten für Langstreckeneinsätze
Bewertung von Aktuatoren, Getrieben und rückspeisefähigen Antrieben
Vergleich von Robotern mit Tieren und Fahrzeugen auf einer gemeinsamen Skala

In der Praxis

Ein Team vergleicht zwei Fortbewegungs-Policies für denselben Vierbeiner. Es zeichnet Gelenkmomente und -geschwindigkeiten mit der Reglerrate auf, während der Roboter mit mehreren festen Geschwindigkeiten auf einem Laufband geht, berechnet die mechanische Leistung als Summe der positiven Produkte aus Moment und Geschwindigkeit und teilt durch Gewicht und Geschwindigkeit des Roboters, um bei jeder Geschwindigkeit die mechanische CoT zu erhalten. Außerdem zeichnet es Batteriestrom und -spannung auf, um die gesamte CoT zu berechnen. Eine Policy hat eine niedrigere mechanische CoT, bezieht aber eine ähnliche Batterieleistung, was das Team auf hochfrequente Momentschwingungen zurückführt, die die Motoren erwärmen. Es ergänzt die Belohnung um einen Strafterm für die Momentänderungsrate und wiederholt den Vergleich.

Häufige Missverständnisse

Eine einzige CoT-Zahl beschreibt einen Roboter — die CoT variiert mit Geschwindigkeit, Gangart, Nutzlast und Gelände, daher müssen Vergleiche die Bedingungen angeben
Mechanische und gesamte Transportkosten sind austauschbar — die mechanische CoT ignoriert Motorverluste und Elektronik, und beide können sich um einen großen Faktor unterscheiden
Das Summieren vorzeichenbehafteter Gelenkleistung ergibt die verbrauchte Energie — negative Arbeit wird meist nicht zurückgewonnen, daher zählen viele Definitionen nur positive Leistung
Transportkosten haben eine Einheit — sie sind dimensionslos, wenn mit dem Gewicht (m g) statt mit der Masse gerechnet wird

Wer das wissen sollte

Ingenieure für Beinfortbewegung
Reinforcement-Learning-Praktiker, die Belohnungen für die Fortbewegung entwerfen
Konstrukteure von Aktuatoren und Energiesystemen
Forschende, die die Fortbewegung von Robotern und Tieren vergleichen

Open Source Robotics