Traditionally, robots are regarded as universal motion generation machines. They are designed mainly by kinematics considerations while the desired dynamics is imposed by strong actuators and high-rate control loops. As an alternative, one can first consider the robot's intrinsic dynamics and optimize it in accordance with the desired tasks. Therefore, one needs to better understand intrinsic, uncontrolled dynamics of robotic systems. In this paper we focus on periodic orbits, as fundamental dynamic properties with many practical applications. Algebraic topology and differential geometry provide some fundamental statements about existence of periodic orbits. As an example, we present periodic orbits of the simplest multi-body system: the double-pendulum in gravity. This simple system already displays a rich variety of periodic orbits. We classify these into three classes: toroidal orbits, disk orbits and nonlinear normal modes. Some of these we found by geometrical insights and some by numerical simulation and sampling.


翻译:传统上,机器人被视为通用运动生成机器。它们主要是根据运动学考虑而设计的,而所需的动力学则由强力驱动器和高速控制环路施加。作为一种替代方案,我们可以首先考虑机器人的固有动力学,并根据所需的任务进行优化。因此,需要更好地理解机器人的固有、未受控制的动力学特性。在本文中,我们专注于周期轨道,这是许多实际应用的基本动态特性。代数拓扑和微分几何提供了一些关于周期轨道存在的基本声明。作为一个例子,我们展示了最简单的多体系统——双摆在重力下的周期轨道。这个简单的系统已经显示出多种周期轨道。我们将这些分类为三类:环面轨道、圆盘轨道和非线性正常模式。其中一些是通过几何洞察力发现的,而另一些是通过数值模拟和抽样发现的。

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