Dinâmica passiva

A dinâmica passiva refere-se ao comportamento dinâmico de atuadores, robôs ou organismos quando não se tira energia de um suprimento (por exemplo, baterias, combustível, ATP). Dependendo da aplicação, considerar ou alterar a dinâmica passiva de um sistema energizado pode ter efeitos drásticos no desempenho, principalmente economia de energia, estabilidade e largura de banda da tarefa. Os dispositivos que não usam fonte de energia são considerados “passivos” e seu comportamento é totalmente descrito por suas dinâmicas passivas.

Em alguns campos da robótica (em especial a robótica de pernas), o design e o controle mais relaxado da dinâmica passiva tornaram-se uma abordagem complementar (ou até alternativa) aos métodos de controle de posicionamento conjunto desenvolvidos durante o século XX. Além disso, a dinâmica passiva dos animais tem sido de interesse para os biomecânicos e biólogos integradores, uma vez que essas dinâmicas muitas vezes fundamentam os movimentos biológicos e acoplam-se ao controle neuromecânico.

Campos particularmente relevantes para a investigação e engenharia de dinâmica passiva incluem locomoção e manipulação legged.

História
O termo e seus princípios foram desenvolvidos por Tad McGeer no final dos anos 80. Enquanto estava na Universidade Simon Fraser, em Burnaby, na Colúmbia Britânica, McGeer mostrou que uma estrutura semelhante a uma pessoa humana pode andar por uma ladeira sem precisar de músculos ou motores. Ao contrário dos robôs tradicionais, que gastam energia usando motores para controlar todos os movimentos, as primeiras máquinas dinâmicas passivas de McGeer dependiam apenas da gravidade e do balanço natural de seus membros para avançar em uma ladeira.

Modelos
O modelo original para dinâmica passiva é baseado em movimentos de pernas humanas e animais. Sistemas completamente atuados, como as pernas do robô Honda Asimo, não são muito eficientes, pois cada junta possui um conjunto de motor e controle. Os movimentos humanos são muito mais eficientes porque o movimento é sustentado pelo balanço natural das pernas, em vez de motores colocados em cada articulação.

O artigo de 1990 de Tad McGeer, “Passive Walking with Knees”, oferece uma excelente visão geral das vantagens dos joelhos nas pernas. Ele demonstra claramente que os joelhos têm muitas vantagens práticas para os sistemas de caminhada. Os joelhos, de acordo com McGeer, resolvem o problema de os pés colidirem com o solo quando a perna se inclina para a frente e também oferece mais estabilidade em algumas configurações.

A dinâmica passiva é uma adição valiosa ao campo de controles porque aborda o controle de um sistema como uma combinação de elementos mecânicos e elétricos. Enquanto os métodos de controle sempre foram baseados nas ações mecânicas (física) de um sistema, a dinâmica passiva utiliza a descoberta da computação morfológica. O cálculo morfológico é a capacidade do sistema mecânico de realizar funções de controle.

Aplicando Dinâmica Passiva
A adição de atuação a passeadores dinâmicos passivos resulta em andadores robóticos altamente eficientes. Esses andadores podem ser implementados em menor massa e usar menos energia, porque andam efetivamente com apenas alguns motores. Essa combinação resulta em um “custo específico de transporte” superior.

A eficiência energética no transporte terrestre é quantificada em termos do “custo específico de transporte” adimensional, que é a quantidade de energia necessária para transportar uma unidade de peso por unidade de distância. Caminhantes dinâmicos passivos, como o Cornell Efficient Biped, têm o mesmo custo específico de transporte que os humanos, 0,20. Não por acaso, caminhantes dinâmicos passivos têm andamentos semelhantes a humanos. Em comparação, o ASIMO da Honda, que não utiliza a dinâmica passiva de seus próprios membros, tem um custo específico de transporte de 3,23.

O atual recorde de distância para robôs andando, 65,17 km, é realizado pela Cornell Ranger, baseada em dinâmica passiva.

A dinâmica passiva encontrou recentemente um papel no design e controle de próteses. Como a dinâmica passiva fornece os modelos matemáticos de movimento eficiente, é uma via apropriada para desenvolver membros eficientes que exigem menos energia para os amputados. Andrew Hansen, Steven Gard e outros fizeram uma extensa pesquisa no desenvolvimento de melhores próteses de pé, utilizando dinâmica passiva.

Os robôs bípedes de passeio passivos exibem diferentes tipos de comportamentos caóticos, por exemplo, bifurcação, intermitência e crise.