Пассивная динамика относится к динамическому поведению исполнительных механизмов , роботов или организмов , когда они не получают энергию из источника (например, батареи , топливо , АТФ ). В зависимости от приложения, учет или изменение пассивной динамики работающей системы может иметь радикальные последствия для производительности, в частности, экономии энергии , стабильности и пропускной способности задачи . Устройства, не использующие источник питания, считаются «пассивными», и их поведение полностью описывается их пассивной динамикой.
В некоторых областях робототехники ( в частности, в робототехнике с ногами ) проектирование и более расслабленный контроль пассивной динамики стали дополнительным (или даже альтернативным) подходом к методам управления позиционированием суставов, разработанным в течение 20-го века. Кроме того, пассивная динамика животных представляла интерес для биомехаников и интегративных биологов , поскольку эта динамика часто лежит в основе биологических движений и связана с нейромеханическим контролем .
К особенно важным областям для исследования и разработки пассивной динамики относятся передвижение и манипуляция ногами .
Термин и его принципы были разработаны Тэдом Макгиром в конце 1980-х годов. В то время как в Университете Саймона Фрейзера в Бернаби , Британская Колумбия , Макгир показал, что человекоподобная структура может сама спускаться по склону без использования мышц или двигателей. В отличие от традиционных роботов, которые расходуют энергию, используя двигатели для управления каждым движением, ранние пассивно-динамические машины Макгира полагались только на гравитацию и естественное качание конечностей для движения вперед по склону.
Первоначальная модель пассивной динамики основана на движениях ног человека и животных. Полностью приводимые в действие системы, такие как ноги робота Honda Asimo , не очень эффективны, поскольку в каждом суставе есть двигатель и узел управления. Походки, подобные человеческим, гораздо эффективнее, поскольку движение поддерживается естественным колебанием ног, а не двигателями, размещенными в каждом суставе.
В статье Тэда Макгира 1990 года «Пассивная ходьба с коленями» [1] представлен превосходный обзор преимуществ коленей для шагающих ног. Он наглядно демонстрирует, что колени имеют множество практических преимуществ для систем ходьбы. Колени, по мнению Макгира, решают проблему столкновения стоп с землей, когда нога выносится вперед, а также обеспечивают большую устойчивость в некоторых ситуациях.
Пассивная динамика является ценным дополнением к области управления, поскольку она подходит к управлению системой как к комбинации механических и электрических элементов. В то время как методы управления всегда основывались на механических действиях (физике) системы, пассивная динамика использует открытие морфологического вычисления. [2] Морфологическое вычисление — это способность механической системы выполнять функции управления.
Добавление приведения в действие пассивных динамических шагающих устройств приводит к созданию высокоэффективных роботизированных шагающих устройств. Такие шагающие устройства могут быть реализованы с меньшей массой и потребляют меньше энергии, поскольку они эффективно ходят всего с парой двигателей. Такое сочетание приводит к превосходной «удельной стоимости транспортировки».
Эффективность использования энергии в транспорте по ровной поверхности количественно определяется в терминах безразмерной «удельной стоимости транспортировки», которая представляет собой количество энергии, необходимое для переноса единицы веса на единицу расстояния. [3] Пассивные динамические ходунки, такие как Cornell Efficient Biped [4], имеют такую же удельную стоимость транспортировки, как и люди, 0,20. Неслучайно, пассивные динамические ходунки имеют походку, похожую на человеческую. Для сравнения, двуногий ASIMO от Honda , который не использует пассивную динамику своих собственных конечностей, имеет удельную стоимость транспортировки 3,23. [5]
Текущий рекорд расстояния для шагающих роботов составляет 65,17 км и принадлежит роботу Cornell Ranger, работающему на основе пассивной динамики. [6]
Пассивная динамика недавно нашла свою роль в проектировании и управлении протезами . Поскольку пассивная динамика обеспечивает математические модели эффективного движения, это подходящий путь для разработки эффективных конечностей, требующих меньше энергии для ампутантов. Эндрю Хансен, Стивен Гард и другие провели обширные исследования в разработке лучших протезов стопы с использованием пассивной динамики. [7]
Пассивные шагающие двуногие роботы [8] [9] [10] демонстрируют различные виды хаотического поведения, например, бифуркацию , прерывистость и кризис .