Cost of Transport

• Detto anche: CoT, COT, specific resistance
• Categoria: Actuation & drivetrain › Ratings
• Tag: legged-locomotion, energy-efficiency, metrics, reinforcement-learning, actuation

Una misura adimensionale dell'efficienza della locomozione: l'energia usata per spostare un corpo di una data distanza, divisa per il suo peso moltiplicato per quella distanza.

Definizione

Costo di trasporto (cost of transport, CoT) misura quanta energia un robot, un animale o un veicolo spende per spostarsi. È definito come l'energia divisa per il peso moltiplicato per la distanza, E / (m g d), o in modo equivalente come la potenza divisa per il peso moltiplicato per la velocità, P / (m g v). Dividere per il peso e la distanza rende la grandezza adimensionale, così un piccolo quadrupede, un umanoide, un'auto e un animale che corre possono essere confrontati sulla stessa scala. L'idea risale al confronto tra veicoli di Gabrielli e von Kármán del 1950, in cui lo stesso rapporto era chiamato resistenza specifica.

Il valore dipende molto da quale energia viene contata. Il CoT totale o elettrico usa tutta la potenza prelevata dalla batteria, comprese le perdite dei motori, l'elettronica e i computer. Il CoT meccanico usa solo la potenza meccanica erogata ai giunti, di solito la somma sugli attuatori della coppia del giunto per la velocità del giunto. Una convenzione comune conta solo il lavoro meccanico positivo, perché l'energia assorbita in frenata va in genere persa come calore invece di tornare alla batteria; sommare la potenza con segno lascerebbe che il lavoro negativo compensi quello positivo e sottostimerebbe il costo reale. Gli articoli devono quindi dichiarare quale definizione usano, e i valori ottenuti con definizioni diverse non vanno confrontati direttamente.

Il costo di trasporto cambia con la velocità, l'andatura e il terreno. Per gli animali e per molti robot, ogni andatura ha un intervallo di velocità in cui il CoT è minimo, e cambiare andatura può ridurlo di nuovo a velocità più elevate. Nella locomozione appresa, il CoT è usato sia come metrica di valutazione sia come termine di ricompensa o di penalità che favorisce un moto efficiente e dall'aspetto naturale; è anche un modo comune per mostrare che una policy addestrata con prior di movimento usa meno energia di una addestrata con ricompense regolate a mano.

Perché è importante

La capacità della batteria limita per quanto tempo e fino a che distanza i robot mobili possono operare, e il riscaldamento degli attuatori limita quanto intensamente possono lavorare. Il costo di trasporto trasforma l'efficienza in un unico numero confrontabile tra progetti, controllori e velocità, il che aiuta a scegliere tra andature, attuatori e strategie di controllo.

Applicazioni principali

• Confronto dell'efficienza energetica di progetti e controllori di robot con gambe
• Termini di ricompensa e di penalità per policy di locomozione apprese
• Scelta di andature e velocità per missioni a lungo raggio
• Valutazione di attuatori, trasmissioni e azionamenti rigenerativi
• Confronto tra robot, animali e veicoli su una scala comune

In pratica

Un team confronta due policy di locomozione per lo stesso quadrupede. Registra coppie e velocità dei giunti alla frequenza del controllore mentre il robot cammina a diverse velocità fisse su un tapis roulant, calcola la potenza meccanica come somma dei prodotti coppia-velocità positivi e divide per il peso e la velocità del robot per ottenere il CoT meccanico a ogni velocità. Registra anche corrente e tensione della batteria per calcolare il CoT totale. Una policy ha un CoT meccanico più basso ma assorbe una potenza di batteria simile, cosa che il team riconduce a un'oscillazione di coppia ad alta frequenza che scalda i motori. Aggiunge quindi alla ricompensa una penalità sulla velocità di variazione della coppia e ripete il confronto.

Idee sbagliate comuni

• Un singolo valore di CoT descrive un robot — il CoT varia con velocità, andatura, carico utile e terreno, quindi i confronti devono indicare le condizioni
• Il costo di trasporto meccanico e quello totale sono intercambiabili — il CoT meccanico ignora le perdite dei motori e l'elettronica, e i due possono differire di un fattore elevato
• Sommare la potenza dei giunti con segno dà l'energia usata — il lavoro negativo di solito non viene recuperato, quindi molte definizioni contano solo la potenza positiva
• Il costo di trasporto ha un'unità di misura — è adimensionale quando è calcolato con il peso (m g) anziché con la massa

Chi dovrebbe saperlo

• Ingegneri di locomozione con gambe
• Professionisti dell'apprendimento per rinforzo che progettano ricompense per la locomozione
• Progettisti di attuatori e di sistemi di alimentazione
• Ricercatori che confrontano la locomozione di robot e animali

Tecnologie correlate

• Resistenza specifica (Specific Resistance)
• Adversarial Motion Priors
• Azionamenti di motori rigenerativi (Regenerative Motor Drives)
• Attuatori ad azionamento quasi diretto (Quasi-Direct-Drive Actuators)
• Camminata dinamica passiva (Passive Dynamic Walking)

Termini correlati

• Locomotion
• Gait
• Quadruped
• Humanoid Robot
• Reinforcement Learning
• Quasi Direct Drive

Progetti correlati

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