被動動力學

用完全的被動動力學法，機器人的所有關節無須驅動，只依靠機器人和環境二者之間互動的動力學特性就可以實現自發步行，所以稱作被動步行．因為沒有能量輸入，為了克服摩擦和腳觸地時的能量損失，通常在斜坡上下行時實現自發步行，此時重力補償了能量損失．這種自發的穩定步態完全是由機器人的機械結構決定的．
完全被動步行的裝置20世紀初就已經被製造出來，但是被動動力學的理論分析由McGeer提出．他用計算機對被動步行機的動力學方程進行數值計算，並對其進行穩定性分析．他認為飛機發展的歷史對兩足機器人研究很有啟發意義，人們從設計無動力的滑翔機到有動力飛機，類似地，對無動力步行的研究可以揭示出步行的機理，有助於開發高效步行的兩足機器人．他設計了無驅動、二維運動的無膝關節兩足機器人，機器人可以自動走下斜坡，實現了類人的步態，而且小的外界干擾對其穩定步行沒有影響．作為McGeer理論的發展，Steve等 開發出世界上第一個完全被動步行的三維有膝關節兩足機器人．
受到McGeer方法的啟發，美國康奈爾大學的Steve和Andy，麻省理工學院的Russ和荷蘭代夫特大學的Martijn分別開發了基於被動動力學法的兩足機器人．它們的部分關節有電機驅動，實現了平面步行，而且能量效率和人類步行效率相當．這是目前可以平面步行的兩足機器人達到的最高效率．
這3個機器人樣機的共同特點是巧妙的機械設計和簡單的控制策略．下面分別介紹．
康奈爾大學Steve和Andy開發的機器人有5個內部自由度(踝關節2，膝關節2，髖關節1)，只有踝關節有電機驅動，而且電機只在支撐腿蹬離地面時才工作．它的兩臂分別和身體對側的腿相連，使手臂擺動和腿運動自動反相，抑制了機器人邁腿時身體的轉動趨勢．膝關節有可控的插銷，腿支撐時插銷鎖死使支撐腿保持直立，腿在擺動狀態時插銷打開使擺動腿可以自由擺動．髖關節採用兩分角機構使身軀的傾角等於兩大腿傾角和的一半，因此身軀近似與地面垂直．腳底呈弧形使支撐腿運動平穩．代夫特大學和麻省理工大學設計機器人的腳部設計也有類似特點．
麻省理工學院Russ開發的機器人叫toddler(與Miller開發的機器人同名)．Toddler有6個內部自由度(踝2×2，髖2)，其中踝關節有驅動．手臂和對側腿相連，實現手臂和腿擺動的自動反相．它採用強制學習自動獲得控制器參數．Toddler學習速度很快，可以在1 min內開始步行，20 min學習收斂，還可以實時適應地麵條件變化．學習速度快的主要原因是Toddler的機械結構模仿無動力的被動動力學機器人，機械穩定性好，這使學習空間大大縮小，其次是把前向和側向運動控制解耦 ．
代夫特大學Martijn開發的機器人叫做Denise，其自由度配置和康奈爾大學的相同．髖關節同樣採用兩分角機構，膝關節也有可控插銷使支撐腿保持直立狀態，不同的是它髖關節採用人工肌肉驅動大腿向前擺動，而踝關節無驅動．Martijn還通過實驗證實擺動腿的快速擺動對於前向和側向的穩定都有重要作用，這說明人步行時前向和側向平衡之間存在某種耦合作用．