Cost of Transport

Também chamado: CoT, COT, specific resistance
Categoria: Actuation & drivetrain › Ratings
Tags: legged-locomotion, energy-efficiency, metrics, reinforcement-learning, actuation

Uma medida adimensional da eficiência da locomoção: a energia usada para deslocar um corpo por uma dada distância, dividida pelo seu peso vezes essa distância.

Definição

Custo de transporte (cost of transport, CoT) mede quanta energia um robô, um animal ou um veículo gasta para se deslocar. É definido como a energia dividida pelo peso vezes a distância, E / (m g d), ou, de forma equivalente, a potência dividida pelo peso vezes a velocidade, P / (m g v). Dividir pelo peso e pela distância torna a grandeza adimensional, de modo que um quadrúpede pequeno, um humanoide, um carro e um animal correndo podem ser comparados na mesma escala. A ideia remonta à comparação de veículos de Gabrielli e von Kármán de 1950, em que a mesma razão era chamada de resistência específica.

O valor depende muito de qual energia é contada. O CoT total ou elétrico usa toda a potência retirada da bateria, incluindo perdas dos motores, eletrônica e computadores. O CoT mecânico usa apenas a potência mecânica entregue nas juntas, geralmente a soma, sobre os atuadores, do torque da junta vezes a velocidade da junta. Uma convenção comum conta apenas o trabalho mecânico positivo, porque a energia absorvida na frenagem geralmente se perde como calor em vez de voltar à bateria; somar a potência com sinal deixaria o trabalho negativo cancelar o positivo e subestimaria o custo real. Por isso os artigos precisam informar qual definição usam, e números de definições diferentes não devem ser comparados diretamente.

O custo de transporte muda com a velocidade, a marcha e o terreno. Para animais e para muitos robôs, cada marcha tem uma faixa de velocidades em que o CoT é mínimo, e trocar de marcha pode reduzi-lo novamente em velocidades mais altas. Na locomoção aprendida, o CoT é usado tanto como métrica de avaliação quanto como termo de recompensa ou de penalidade que incentiva movimentos eficientes e de aparência natural; também é uma forma comum de mostrar que uma política treinada com priors de movimento usa menos energia do que uma treinada com recompensas ajustadas à mão.

Por que importa

A capacidade da bateria limita por quanto tempo e até onde os robôs móveis podem operar, e o aquecimento dos atuadores limita o quanto eles podem se esforçar. O custo de transporte transforma a eficiência em um único número que pode ser comparado entre projetos, controladores e velocidades, o que ajuda a decidir entre marchas, atuadores e estratégias de controle.

Principais aplicações

Comparação da eficiência energética de projetos e controladores de robôs com pernas
Termos de recompensa e de penalidade para políticas de locomoção aprendidas
Escolha de marchas e velocidades para missões de longo alcance
Avaliação de atuadores, transmissões e acionamentos regenerativos
Comparação de robôs com animais e veículos em uma escala comum

Na prática

Uma equipe compara duas políticas de locomoção para o mesmo quadrúpede. Ela registra os torques e as velocidades das juntas na taxa do controlador enquanto o robô anda em várias velocidades fixas em uma esteira, calcula a potência mecânica como a soma dos produtos torque-velocidade positivos e divide pelo peso e pela velocidade do robô para obter o CoT mecânico em cada velocidade. Também registra a corrente e a tensão da bateria para calcular o CoT total. Uma das políticas tem CoT mecânico menor, mas consome potência de bateria semelhante, o que a equipe atribui a uma oscilação de torque de alta frequência que aquece os motores. Ela acrescenta à recompensa uma penalidade sobre a taxa de variação do torque e repete a comparação.

Equívocos comuns

Um único número de CoT descreve um robô — o CoT varia com a velocidade, a marcha, a carga útil e o terreno, então as comparações precisam informar as condições
O custo de transporte mecânico e o total são intercambiáveis — o CoT mecânico ignora as perdas dos motores e a eletrônica, e os dois podem diferir por um fator grande
Somar a potência das juntas com sinal dá a energia usada — o trabalho negativo geralmente não é recuperado, então muitas definições contam apenas a potência positiva
O custo de transporte tem unidades — ele é adimensional quando calculado com o peso (m g) em vez da massa

Quem deve saber

Engenheiros de locomoção com pernas
Praticantes de aprendizado por reforço que projetam recompensas de locomoção
Projetistas de atuadores e de sistemas de energia
Pesquisadores que comparam a locomoção de robôs e de animais

Tecnologias relacionadas

Resistência específica (Specific Resistance)
Adversarial Motion Priors
Acionamentos de motor regenerativos (Regenerative Motor Drives)
Atuadores de acionamento quase direto (Quasi-Direct-Drive Actuators)
Caminhada dinâmica passiva (Passive Dynamic Walking)

Termos relacionados

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