Bio-Inspired Compensatory Strategies for Damage to Flapping Robotic Propulsors

要約

完全な自律性を維持するためには、自律型ロボットシステムは自己修復能力を持たなければならない。代償メカニズムによる自己修復は自然界にも見られる。例えば、魚の中には、ストロークの力学を変化させることで、推進力を失うことなく推進面の76％を失うことができるものもいる。しかし、このような変化を生物からロボットの羽ばたき推進器へ直接伝達することは、無関係な進化的圧力のために最適ではないかもしれない。そこで我々は、人工進化によって、損傷を受けたロボットシステムにとって最適なストローク力学の変化を明らかにすることを目指す。自然な最適値と機械学習による最適値が異なるかどうかを判断するために、共分散行列適応進化戦略を用いたサイバーフィジカルシステムを採用し、与えられた力に対して最も効率的な軌道を求める。ハードウェア・イン・ザ・ループによるオンライン最適化を実装し、作動する柔軟な平板を用いて実験的な関数評価を行う。部分切断後の推力生産を回復するために、最も効率的に学習された戦略は、振幅を増加させ、周波数を増加させ、迎え角の振幅を増加させ、迎え角を約110度位相シフトさせることであった。魚の場合、文献では振幅の増加のみが大多数で報告されている。サイドフォースの生成を回収するためには、より困難な最適化が必要となる。その結果、最適な迎え角のトレースがネスティングされていることがわかったが、昆虫の文献で報告されている周波数の増加とは対照的に、振幅や周波数に明確な傾向は見られなかった。これらの結果は、機械的な羽ばたき推進器が最も効率的に羽ばたき推進器の損傷に適応する方法は、自然の遊泳者や飛翔者と一致しない可能性があることを示唆している。

要約(オリジナル)

To maintain full autonomy, autonomous robotic systems must have the ability to self-repair. Self-repairing via compensatory mechanisms appears in nature: for example, some fish can lose even 76% of their propulsive surface without loss of thrust by altering stroke mechanics. However, direct transference of these alterations from an organism to a robotic flapping propulsor may not be optimal due to irrelevant evolutionary pressures. We instead seek to determine what alterations to stroke mechanics are optimal for a damaged robotic system via artificial evolution. To determine whether natural and machine-learned optima differ, we employ a cyber-physical system using a Covariance Matrix Adaptation Evolutionary Strategy to seek the most efficient trajectory for a given force. We implement an online optimization with hardware-in-the-loop, performing experimental function evaluations with an actuated flexible flat plate. To recoup thrust production following partial amputation, the most efficient learned strategy was to increase amplitude, increase frequency, increase the amplitude of angle of attack, and phase shift the angle of attack by approximately 110 degrees. In fish, only an amplitude increase is reported by majority in the literature. To recoup side-force production, a more challenging optimization landscape is encountered. Nesting of optimal angle of attack traces is found in the resultant-based reference frame, but no clear trend in amplitude or frequency are exhibited — in contrast to the increase in frequency reported in insect literature. These results suggest that how mechanical flapping propulsors most efficiently adjust to damage of a flapping propulsor may not align with natural swimmers and flyers.

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