Dynamique passive

La dynamique passive fait référence au comportement dynamique d’actionneurs, de robots ou d’organismes lorsqu’ils ne tirent pas l’énergie d’une alimentation (par exemple, les batteries, le carburant, l’ATP). Selon l’application, prendre en compte ou modifier la dynamique passive d’un système alimenté peut avoir des effets dramatiques sur les performances, notamment l’économie d’énergie, la stabilité et la largeur de bande des tâches. Les appareils n’utilisant aucune source d’alimentation sont considérés comme “passifs” et leur comportement est entièrement décrit par leur dynamique passive.

Dans certains domaines de la robotique (notamment la robotique à jambes), la conception et le contrôle plus détendu de la dynamique passive sont devenus une approche complémentaire (voire alternative) des méthodes de contrôle du positionnement articulaire développées au cours du XXe siècle. De plus, la dynamique passive des animaux intéresse les biomécaniciens et les biologistes intégrateurs, car cette dynamique est souvent à la base des mouvements biologiques et se couple avec un contrôle neuromécanique.

Les domaines particulièrement pertinents pour l’étude et l’ingénierie de la dynamique passive incluent la locomotion et la manipulation à jambes.

L’histoire
Le terme et ses principes ont été développés par Tad McGeer à la fin des années 1980. Alors qu’il était à l’Université Simon Fraser à Burnaby, en Colombie-Britannique, McGeer a montré qu’un cadre de type humain peut marcher sur une pente sans nécessiter de muscles ni de moteurs. Contrairement aux robots traditionnels, qui dépensent de l’énergie en utilisant des moteurs pour contrôler chaque mouvement, les premières machines à dynamique passive passive de McGeer ne s’appuyaient que sur la gravité et le balancement naturel de leurs membres pour descendre une pente.

Des modèles
Le modèle original de dynamique passive repose sur les mouvements des jambes chez l’homme et l’animal. Les systèmes entièrement actionnés, tels que les pattes du robot Honda Asimo, ne sont pas très efficaces car chaque articulation est équipée d’un moteur et d’un ensemble de contrôle. Les allures humaines sont bien plus efficaces car le mouvement est soutenu par le balancement naturel des jambes au lieu des moteurs placés à chaque articulation.

Le document de Tad McGeer intitulé “Passive Walking with Knees” (1990) fournit un excellent aperçu des avantages des genoux pour la marche des jambes. Il démontre clairement que les genoux présentent de nombreux avantages pratiques pour les systèmes de marche. Les genoux, selon McGeer, résolvent le problème de la collision des pieds avec le sol lorsque la jambe bascule en avant et offrent également plus de stabilité dans certains contextes.

La dynamique passive est un ajout précieux au domaine des contrôles car elle aborde le contrôle d’un système en combinant des éléments mécaniques et électriques. Alors que les méthodes de contrôle ont toujours été basées sur les actions mécaniques (physique) d’un système, la dynamique passive utilise la découverte du calcul morphologique. Le calcul morphologique est la capacité du système mécanique à remplir des fonctions de contrôle.

Appliquer une dynamique passive
L’ajout d’actionneurs aux marcheurs dynamiques passifs permet d’obtenir des marcheurs robotiques extrêmement efficaces. De tels marcheurs peuvent être mis en œuvre à une masse inférieure et utiliser moins d’énergie car ils marchent efficacement avec seulement deux moteurs. Cette combinaison entraîne un “coût de transport spécifique” supérieur.

L’efficacité énergétique dans les transports de niveau à la surface est quantifiée en termes de “coût spécifique de transport” sans dimension, qui correspond à la quantité d’énergie nécessaire pour transporter une unité de poids sur une distance. Les marcheurs dynamiques passifs tels que le Cornell Efficient Biped ont le même coût de transport spécifique que les humains, 0,20. Ce n’est pas un hasard si les promeneurs dynamiques ont des allures humaines. À titre de comparaison, l’ASIMO bipède de Honda, qui n’utilise pas la dynamique passive de ses propres membres, a un coût de transport spécifique de 3,23.

Le record actuel de distance pour les robots marcheurs, 65,17 km, est détenu par Cornell Ranger basé sur la dynamique passive.

La dynamique passive a récemment trouvé un rôle dans la conception et le contrôle des prothèses. Comme la dynamique passive fournit les modèles mathématiques du mouvement efficace, elle constitue un moyen approprié de développer des membres efficaces nécessitant moins d’énergie pour les personnes amputées. Andrew Hansen, Steven Gard et d’autres ont effectué des recherches approfondies sur le développement de meilleures prothèses du pied en utilisant une dynamique passive.

Les robots bipèdes à la marche passive présentent différents types de comportements chaotiques, tels que la bifurcation, l’intermittence et la crise.