Dinámica pasiva

La dinámica pasiva se refiere al comportamiento dinámico de actuadores , robots u organismos cuando no consumen energía de una fuente (por ejemplo, baterías , combustible , ATP ). Dependiendo de la aplicación, considerar o modificar la dinámica pasiva de un sistema alimentado puede tener efectos drásticos en el rendimiento, especialmente en la eficiencia energética , la estabilidad y el ancho de banda de la tarea . Los dispositivos que no utilizan ninguna fuente de energía se consideran "pasivos" y su comportamiento se describe completamente mediante su dinámica pasiva.

En algunos campos de la robótica ( en particular, la robótica con patas ), el diseño y el control más flexible de la dinámica pasiva se han convertido en un enfoque complementario (o incluso alternativo) a los métodos de control de posicionamiento articular desarrollados a lo largo del siglo XX. Además, la dinámica pasiva de los animales ha sido de interés para biomecánicos y biólogos integrativos , ya que esta dinámica suele ser la base de los movimientos biológicos y se acopla con el control neuromecánico .

Entre los campos particularmente relevantes para la investigación y la ingeniería de la dinámica pasiva se incluyen la locomoción con patas y la manipulación .

El término y sus principios fueron desarrollados por Tad McGeer a finales de la década de 1980. Durante su estancia en la Universidad Simon Fraser en Burnaby , Columbia Británica , McGeer demostró que una estructura similar a la humana puede descender por una pendiente sin necesidad de músculos ni motores. A diferencia de los robots tradicionales, que consumen energía al utilizar motores para controlar cada movimiento, las primeras máquinas pasivo-dinámicas de McGeer dependían únicamente de la gravedad y del balanceo natural de sus extremidades para avanzar por una pendiente.

El modelo original de dinámica pasiva se basa en los movimientos de las piernas humanas y animales. Los sistemas completamente accionados, como las piernas del robot Honda Asimo , no son muy eficientes porque cada articulación tiene un motor y un sistema de control. La marcha humana es mucho más eficiente porque el movimiento se sustenta en el balanceo natural de las piernas en lugar de motores ubicados en cada articulación.

El artículo de Tad McGeer de 1990, «Passive Walking with Knees» ^{[ 1 ],} ofrece una excelente visión general de las ventajas de las rodillas para las piernas al caminar. Demuestra claramente que las rodillas presentan numerosas ventajas prácticas para los sistemas de marcha. Según McGeer, las rodillas solucionan el problema de que los pies choquen con el suelo al balancear la pierna hacia adelante y, además, ofrecen mayor estabilidad en ciertas situaciones.

La dinámica pasiva es una valiosa aportación al campo del control, ya que aborda el control de un sistema como una combinación de elementos mecánicos y eléctricos. Si bien los métodos de control siempre se han basado en las acciones mecánicas (física) de un sistema, la dinámica pasiva utiliza el descubrimiento de la computación morfológica. ^{[ 2 ]} La computación morfológica es la capacidad del sistema mecánico para realizar funciones de control.

La incorporación de actuadores a los robots caminantes pasivos da como resultado robots caminantes de alta eficiencia. Estos robots pueden implementarse con menor masa y consumen menos energía, ya que caminan eficazmente con solo un par de motores. Esta combinación se traduce en un "costo específico de transporte" superior.

La eficiencia energética en el transporte en terreno llano se cuantifica en términos del "coste específico del transporte" adimensional, que es la cantidad de energía necesaria para transportar una unidad de peso a una unidad de distancia. ^{[ 3 ]} Los caminantes dinámicos pasivos, como el Cornell Efficient Biped ^{[ 4 ],} tienen el mismo coste específico del transporte que los humanos, 0,20. Cabe destacar que los caminantes dinámicos pasivos tienen una marcha similar a la humana. En comparación, el bípedo ASIMO de Honda , que no utiliza la dinámica pasiva de sus propias extremidades, tiene un coste específico del transporte de 3,23. ^{[ 5 ]}

El récord actual de distancia para robots caminantes, 65,17  km, lo ostenta el Cornell Ranger, basado en dinámica pasiva. ^{[ 6 ]}

La dinámica pasiva ha encontrado recientemente un papel importante en el diseño y control de prótesis . Dado que proporciona modelos matemáticos de movimiento eficiente, constituye una vía adecuada para desarrollar extremidades eficientes que requieran menos energía para personas amputadas. Andrew Hansen, Steven Gard y otros han realizado una extensa investigación para desarrollar mejores prótesis de pie mediante la utilización de la dinámica pasiva. ^{[ 7 ]}

Los robots bípedos de marcha pasiva ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]} exhiben diferentes tipos de comportamientos caóticos , por ejemplo, bifurcación , intermitencia y crisis .

• Subactuación

• Tad McGeer (abril de 1990). "Marcha dinámica pasiva". Revista Internacional de Investigación en Robótica .
• VA Tucker (1975). "El costo energético de moverse". American Scientist . 63 (4): 413– 419. Bibcode : 1975AmSci..63..413T . PMID 1137237 . 
• Steve H Collins; Martijn Wisse; Andy Ruina (2001). "Un robot caminante dinámico pasivo 3D con dos piernas y rodillas". International Journal of Robotics Research . 20 (7): 607– 615. doi : 10.1177/02783640122067561 . S2CID 12350943 . 
• Steve H Collins; Martijn Wisse; Andy Ruina; Russ Tedrake (2005). "Robots bípedos eficientes basados ​​en caminantes pasivo-dinámicos". Science . 307 ( 5712): 1082– 1085. Bibcode : 2005Sci...307.1082C . doi : 10.1126/science.1107799 . PMID 15718465. S2CID 1315227 .  y Steve H Collins; Andy Ruina (2005). "Un robot bípedo con marcha eficiente y similar a la humana". Actas de la Conferencia Internacional IEEE sobre Robótica y Automatización .
• Chandana Paul (2004). "Morfología y computación". Actas de la Conferencia Internacional sobre la Simulación del Comportamiento Adaptativo : 33–38 .

• Laboratorio de Biorrobótica y Locomoción de Cornell : vídeos y artículos sobre caminantes dinámicos pasivos, incluidos los originales de McGeer, el Caminante Eficiente de Cornell y el Ranger de Cornell.
• Droid Logic : simulaciones de robots caminantes y corredores dinámicos pasivos creadas mediante robótica evolutiva.
• MIT Leg Lab : robots que caminan y corren utilizando la dinámica natural.
• La página de robots de Steve Collins : el andador eficiente de Cornell, su predecesor pasivo y referencias adicionales.