Dinamica passiva

La dinamica passiva si riferisce al comportamento dinamico di attuatori, robot o organismi quando non si pesca energia da una fonte (ad esempio, batterie, carburante, ATP). A seconda dell’applicazione, considerare o modificare la dinamica passiva di un sistema alimentato può avere effetti drastici sulle prestazioni, in particolare sull’economia dell’energia, sulla stabilità e sulla larghezza di banda dell’attività. I dispositivi che non usano la fonte di energia sono considerati “passivi” e il loro comportamento è completamente descritto dalla loro dinamica passiva.

In alcuni campi della robotica (in particolare la robotica con le gambe), il design e il controllo più rilassato della dinamica passiva è diventato un approccio complementare (o persino alternativo) ai metodi di controllo del posizionamento congiunto sviluppati nel XX secolo. Inoltre, le dinamiche passive degli animali sono state di interesse per biomeccanici e biologi integrativi, poiché queste dinamiche sono spesso alla base di movimenti biologici e si accoppiano con il controllo neuromeccanico.

I campi particolarmente rilevanti per lo studio e l’ingegneria della dinamica passiva comprendono la locomozione e la manipolazione delle gambe.

Storia
Il termine e i suoi principi furono sviluppati da Tad McGeer alla fine degli anni ’80. Mentre alla Simon Fraser University di Burnaby, nella British Columbia, McGeer ha dimostrato che un telaio simile all’uomo può camminare su un pendio senza richiedere muscoli o motori. A differenza dei robot tradizionali, che consumano energia utilizzando motori per controllare ogni movimento, le prime macchine passive-dinamiche di McGeer si basavano solo sulla gravità e sul naturale oscillare delle loro membra per spostarsi in avanti lungo un pendio.

Modelli
Il modello originale per la dinamica passiva si basa sui movimenti delle gambe umane e animali. I sistemi completamente azionati, come le gambe del robot Honda Asimo, non sono molto efficienti perché ogni giunto ha un motore e un gruppo di controllo. Le andature simili all’uomo sono molto più efficienti perché il movimento è sostenuto dall’oscillazione naturale delle gambe anziché dai motori posizionati su ciascuna articolazione.

Il paper di Tad McGeer del 1990 “Passive Walking with Knees” fornisce una panoramica eccellente sui vantaggi delle ginocchia per le gambe che camminano. Dimostra chiaramente che le ginocchia hanno molti vantaggi pratici per i sistemi di deambulazione. Le ginocchia, secondo McGeer, risolvono il problema dei piedi che entrano in collisione con il terreno quando la gamba oscilla in avanti e offre anche maggiore stabilità in alcune impostazioni.

La dinamica passiva è una preziosa aggiunta al campo dei controlli perché si avvicina al controllo di un sistema come una combinazione di elementi meccanici ed elettrici. Mentre i metodi di controllo sono sempre stati basati sulle azioni meccaniche (fisiche) di un sistema, la dinamica passiva utilizza la scoperta del calcolo morfologico. Il calcolo morfologico è la capacità del sistema meccanico di svolgere funzioni di controllo.

Applicare la dinamica passiva
L’aggiunta dell’azionamento ai walker dinamici passivi si traduce in camminatori robotici altamente efficienti. Tali camminatori possono essere implementati a massa ridotta e consumano meno energia perché camminano efficacemente con solo un paio di motori. Questa combinazione si traduce in un “costo specifico di trasporto” superiore.

L’efficienza energetica nel trasporto pianeggiante è quantificata in termini di “costo specifico del trasporto” adimensionale, che è la quantità di energia richiesta per trasportare un peso unitario a distanza unitaria. Passeggeri dinamici passivi come il Cornell Efficient Biped hanno lo stesso costo specifico di trasporto degli esseri umani, 0,20. Non a caso, i walker dinamici passivi hanno andature umane. In confronto, l’ASIMO bipede di Honda, che non utilizza la dinamica passiva dei suoi arti, ha un costo specifico di trasporto di 3,23.

L’attuale record di distanza per i robot a piedi, 65,17 km, è detenuto dalla dinamica passiva basata su Cornell Ranger.

La dinamica passiva ha recentemente trovato un ruolo nella progettazione e nel controllo delle protesi. Poiché la dinamica passiva fornisce i modelli matematici del movimento efficiente, è una strada appropriata per sviluppare arti efficienti che richiedono meno energia per gli amputati. Andrew Hansen, Steven Gard e altri hanno fatto ricerche approfondite nello sviluppo di una protesi del piede migliore utilizzando la dinamica passiva.

I robot bipedi passivi esibiscono diversi tipi di comportamenti caotici, ad esempio, biforcazione, intermittenza e crisi.