A Unified Framework for Simulating Strongly-Coupled Fluid-Robot Multiphysics

要約

液体ロボット多目的を単一の統一された最適化問題としてシミュレートするためのフレームワークを提示します。
ロボットと流体のダイナミクスを支配する結合マニピュレーターと非圧縮性ナビエストークス方程式は、最小の作用のプリンシパルを使用して単一のラグランジアンから一緒に導き出されます。
次に、個別の変動力学を使用して、流体とロボットの両方のダイナミクスを共同でシミュレートするための安定した暗黙の時間統合スキームを導き出します。これは、流体ロボット界面で滑り止め境界条件を施行する制約によってしっかりと結合されます。
古典的な浸漬境界法を拡張して、ロボット工学で一般的に見られるマルチボディシステムで数値的によく調整され、物理的に正確な、滑り止め制約の新しい定式化を導き出します。
PoiseUille Flowや自由ストリームのディスクなど、ベンチマーク計算液型ダイナミクスの問題に対するアプローチの物理的精度を示します。
次に、シミュレーションで新しい水泳ロボットの移動ポリシーを設計し、実際のハードウェアの結果を検証し、ロボット工学タスクのフレームワークのSIMからリアル機能を紹介します。

要約(オリジナル)

We present a framework for simulating fluid-robot multiphysics as a single, unified optimization problem. The coupled manipulator and incompressible Navier-Stokes equations governing the robot and fluid dynamics are derived together from a single Lagrangian using the principal of least action. We then employ discrete variational mechanics to derive a stable, implicit time-integration scheme for jointly simulating both the fluid and robot dynamics, which are tightly coupled by a constraint that enforces the no-slip boundary condition at the fluid-robot interface. Extending the classical immersed boundary method, we derive a new formulation of the no-slip constraint that is numerically well-conditioned and physically accurate for multibody systems commonly found in robotics. We demonstrate our approach’s physical accuracy on benchmark computational fluid-dynamics problems, including Poiseuille flow and a disc in free stream. We then design a locomotion policy for a novel swimming robot in simulation and validate results on real-world hardware, showcasing our framework’s sim-to-real capability for robotics tasks.

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