Cost of Transport

También llamado: CoT, COT, specific resistance
Categoría: Actuation & drivetrain › Ratings
Etiquetas: legged-locomotion, energy-efficiency, metrics, reinforcement-learning, actuation

Una medida adimensional de la eficiencia de la locomoción: la energía usada para desplazar un cuerpo una distancia dada, dividida por su peso multiplicado por esa distancia.

Definición

Coste de transporte (cost of transport, CoT) mide cuánta energía gasta un robot, un animal o un vehículo para desplazarse. Se define como la energía dividida por el peso multiplicado por la distancia, E / (m g d), o de forma equivalente la potencia dividida por el peso multiplicado por la velocidad, P / (m g v). Dividir por el peso y la distancia hace que la magnitud sea adimensional, de modo que un cuadrúpedo pequeño, un humanoide, un coche y un animal que corre pueden compararse en la misma escala. La idea se remonta a la comparación de vehículos de Gabrielli y von Kármán de 1950, en la que el mismo cociente se llamaba resistencia específica.

El valor depende mucho de qué energía se cuenta. El CoT total o eléctrico usa toda la potencia extraída de la batería, incluidas las pérdidas de los motores, la electrónica y los ordenadores. El CoT mecánico usa solo la potencia mecánica entregada en las articulaciones, normalmente la suma sobre los actuadores del par articular por la velocidad articular. Una convención habitual cuenta solo el trabajo mecánico positivo, porque la energía absorbida al frenar se pierde en general como calor en lugar de devolverse a la batería; sumar la potencia con signo dejaría que el trabajo negativo cancelara el positivo e infravaloraría el coste real. Por eso los artículos deben indicar qué definición usan, y los valores obtenidos con definiciones distintas no deben compararse directamente.

El coste de transporte cambia con la velocidad, la marcha y el terreno. En los animales y en muchos robots, cada marcha tiene un rango de velocidades en el que el CoT es mínimo, y cambiar de marcha puede volver a reducirlo a velocidades más altas. En la locomoción aprendida, el CoT se usa tanto como métrica de evaluación como término de recompensa o de penalización que favorece un movimiento eficiente y de aspecto natural; también es una forma habitual de mostrar que una política entrenada con priors de movimiento usa menos energía que una entrenada con recompensas ajustadas a mano.

Por qué importa

La capacidad de la batería limita cuánto tiempo y hasta dónde pueden operar los robots móviles, y el calentamiento de los actuadores limita cuánto esfuerzo pueden hacer. El coste de transporte convierte la eficiencia en un único número que puede compararse entre diseños, controladores y velocidades, lo que ayuda a decidir entre marchas, actuadores y estrategias de control.

Aplicaciones clave

Comparación de la eficiencia energética de diseños y controladores de robots con patas
Términos de recompensa y de penalización para políticas de locomoción aprendidas
Elección de marchas y velocidades para misiones de largo alcance
Evaluación de actuadores, transmisiones y accionamientos regenerativos
Comparación de robots con animales y vehículos en una escala común

En la práctica

Un equipo compara dos políticas de locomoción para el mismo cuadrúpedo. Registran los pares y las velocidades articulares a la frecuencia del controlador mientras el robot camina a varias velocidades fijas sobre una cinta, calculan la potencia mecánica como la suma de los productos par-velocidad positivos y dividen por el peso y la velocidad del robot para obtener el CoT mecánico a cada velocidad. También registran la corriente y la tensión de la batería para calcular el CoT total. Una de las políticas tiene un CoT mecánico menor pero consume una potencia de batería similar, lo que atribuyen a una oscilación de par de alta frecuencia que calienta los motores. Añaden a la recompensa una penalización por la tasa de variación del par y repiten la comparación.

Ideas erróneas comunes

Un único valor de CoT describe un robot — el CoT varía con la velocidad, la marcha, la carga útil y el terreno, por lo que las comparaciones deben indicar las condiciones
El coste de transporte mecánico y el total son intercambiables — el CoT mecánico ignora las pérdidas de los motores y la electrónica, y ambos pueden diferir en un factor grande
Sumar la potencia articular con signo da la energía usada — el trabajo negativo normalmente no se recupera, por lo que muchas definiciones cuentan solo la potencia positiva
El coste de transporte tiene unidades — es adimensional cuando se calcula con el peso (m g) en lugar de con la masa

Quién debería saberlo

Ingenieros de locomoción con patas
Profesionales del aprendizaje por refuerzo que diseñan recompensas de locomoción
Diseñadores de actuadores y de sistemas de alimentación
Investigadores que comparan la locomoción de robots y de animales

Tecnologías relacionadas

Resistencia específica (Specific Resistance)
Adversarial Motion Priors
Accionamientos de motor regenerativos (Regenerative Motor Drives)
Actuadores de accionamiento cuasidirecto (Quasi-Direct-Drive Actuators)
Marcha dinámica pasiva (Passive Dynamic Walking)

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