La dinámica pasiva se refiere al comportamiento dinámico de los actuadores , robots u organismos cuando no extraen energía de una fuente (por ejemplo, baterías , combustible , ATP ). Según la aplicación, considerar o alterar la dinámica pasiva de un sistema alimentado puede tener efectos drásticos en el rendimiento, en particular en el ahorro de energía , 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 relajado de la dinámica pasiva se ha convertido en un enfoque complementario (o incluso alternativo) a los métodos de control del posicionamiento de las articulaciones desarrollados a lo largo del siglo XX. Además, la dinámica pasiva de los animales ha sido de interés para los biomecánicos y los biólogos integradores , ya que estas dinámicas a menudo subyacen a los movimientos biológicos y se combinan con el control neuromecánico .
Los campos particularmente relevantes para la investigación y la ingeniería de la dinámica pasiva incluyen la locomoción y la manipulación de las piernas .
El término y sus principios fueron desarrollados por Tad McGeer a finales de los años 1980. Mientras estaba en la Universidad Simon Fraser en Burnaby , Columbia Británica , McGeer demostró que un cuerpo similar al humano puede caminar por una pendiente sin necesidad de músculos o motores. A diferencia de los robots tradicionales, que gastan energía utilizando 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 de los seres humanos y de los animales. Los sistemas completamente accionados, como las piernas del robot Honda Asimo , no son muy eficientes porque cada articulación tiene un motor y un conjunto de control. Los modos de andar similares a los humanos son mucho más eficientes porque el movimiento se sustenta mediante el balanceo natural de las piernas en lugar de motores colocados en cada articulación.
El artículo de Tad McGeer de 1990 "Passive Walking with Knees" [1] ofrece una excelente descripción general de las ventajas de las rodillas para las piernas que caminan. Demuestra claramente que las rodillas tienen muchas ventajas prácticas para los sistemas de marcha. Las rodillas, según McGeer, resuelven el problema de los pies que chocan contra el suelo cuando la pierna se balancea hacia adelante y también ofrecen más estabilidad en algunas situaciones.
La dinámica pasiva es una valiosa incorporación al campo de los controles porque 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 del cálculo morfológico. [2] El cálculo morfológico es la capacidad del sistema mecánico para realizar funciones de control.
La incorporación de un sistema de accionamiento a los andadores dinámicos pasivos da como resultado andadores robóticos de alta eficiencia. Estos andadores pueden implementarse con menor masa y consumen menos energía porque caminan de manera efectiva con solo un par de motores. Esta combinación da como resultado un "costo específico de transporte" superior.
La eficiencia energética en el transporte a nivel del suelo se cuantifica en términos del "costo específico de transporte" adimensional, que es la cantidad de energía necesaria para transportar una unidad de peso por una unidad de distancia. [3] Los caminantes dinámicos pasivos, como el Cornell Efficient Biped [4], tienen el mismo costo específico de transporte que los humanos, 0,20. No es casualidad que los caminantes dinámicos pasivos tengan un andar similar al de los humanos. En comparación, el bípedo ASIMO de Honda , que no utiliza la dinámica pasiva de sus propias extremidades, tiene un costo específico de transporte de 3,23. [5]
El récord de distancia actual para robots que caminan, 65,17 km, lo ostenta el Cornell Ranger, basado en dinámica pasiva. [6]
Recientemente, la dinámica pasiva ha encontrado un papel en el diseño y control de prótesis . Dado que la dinámica pasiva proporciona los modelos matemáticos de movimiento eficiente, es una vía adecuada para desarrollar extremidades eficientes que requieran menos energía para los amputados. Andrew Hansen, Steven Gard y otros han realizado una amplia investigación para desarrollar mejores prótesis de pie utilizando dinámica pasiva. [7]
Los robots bípedos que caminan pasivamente [8] [9] [10] exhiben diferentes tipos de comportamientos caóticos , por ejemplo, bifurcación , intermitencia y crisis .