Jointed Tails Enhance Control of Three-dimensional Body Rotation

要約

慣性付属物として使用される尾は、動物やロボットの体の回転を引き起こしますが、この現象は主に胴体と尾の慣性モーメントの比によって支配されます。
ただし、脊椎動物の尾は、現在のほとんどの理論モデルやロボットの尾よりも多くの自由度 (関節の数、回転軸など) を持っています。
形態が慣性付属器の機能にどのような影響を与えるかを理解するために、最大効果的な尾翼軌道を見つけてターゲット軌道からの誤差を測定する最適化ベースのアプローチを開発しました。
全長と質量が等しい尾翼の場合、等しい長さのジョイントの数が増えると、最大限に効果的な尾翼の動きが複雑になります。
尾の全長、質量、関節の数を同じにしながら尾骨の相対的な長さを最適化したところ、この最適化ベースのアプローチにより、その長さが慣性操縦に特化した哺乳類の尾骨に見られるパターンと一致することがわかりました。
どちらの実験でも、ジョイントを追加すると慣性付属器の性能が向上しましたが、主に総制御努力の制約により、効果は減少しました。
この最適化ベースのシミュレーションでは、3D 空間で慣性モーメントが動的に変化するさまざまな慣性付属物の最大パフォーマンスを比較し、骨格データから慣性能力を予測し、ロボットの慣性付属物の設計に情報を与えることができます。

要約(オリジナル)

Tails used as inertial appendages induce body rotations of animals and robots, a phenomenon that is governed largely by the ratio of the body and tail moments of inertia. However, vertebrate tails have more degrees of freedom (e.g., number of joints, rotational axes) than most current theoretical models and robotic tails. To understand how morphology affects inertial appendage function, we developed an optimization-based approach that finds the maximally effective tail trajectory and measures error from a target trajectory. For tails of equal total length and mass, increasing the number of equal-length joints increased the complexity of maximally effective tail motions. When we optimized the relative lengths of tail bones while keeping the total tail length, mass, and number of joints the same, this optimization-based approach found that the lengths match the pattern found in the tail bones of mammals specialized for inertial maneuvering. In both experiments, adding joints enhanced the performance of the inertial appendage, but with diminishing returns, largely due to the total control effort constraint. This optimization-based simulation can compare the maximum performance of diverse inertial appendages that dynamically vary in moment of inertia in 3D space, predict inertial capabilities from skeletal data, and inform the design of robotic inertial appendages.

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