设计与水动力参数对仿鱼机器人优化游动的影响
机器人学
2021-11-11 v1 流体动力学
摘要
本工作中，我们为仿鱼机器人模板（即磁驱动、模块化、波动机器人（μBots））开发了数学模型与仿真平台。通过该平台，我们借助强化学习系统探究了设计与流体参数对游动性能的影响。数学模型由两个相互作用的子系统组成：机器人动力学与水动力学；水动力模型由反作用分量（附加质量与压力力）和阻力分量（阻力与摩擦力）构成，随后对其进行无量纲化以推导机器人-流体相互作用的关键“控制参数”。μBot由磁驱动器驱动，以谐波电压信号控制，并通过基于EM的策略超参数探索（EPHE）进行优化以最大化游动速度。通过改变控制参数，共模拟并优化36种具有不同机器人模板变体（驱动数量（NoA）与刚度）和水动力参数的情形。结果表明，优化步态的波长（即沿身体的行波）独立于模板变体与水动力参数。更高的NoA带来更高速度，但单位体长速度更低，且增益递减、单位体长速度更低。身体与尾鳍步态动力学由流体附加质量、弹簧与驱动力矩间的相互作用主导，流体阻力贡献可忽略。相反，推力生成由作用于尾鳍的压力力主导，稳态游动源于阻力与压力力间的平衡，附加质量与身体阻力贡献微小。因此，附加质量力仅通过尾鳍动力学间接影响推力生成与游动速度。
引用
@article{arxiv.2111.05682,
title = {Effects of Design and Hydrodynamic Parameters on Optimized Swimming for Simulated, Fish-inspired Robots},
author = {Donghao Li and Hankun Deng and Yagiz E. Bayiz and Bo Cheng},
journal= {arXiv preprint arXiv:2111.05682},
year = {2021}
}