Проектирование и управление мягким биомиметическим роботом-рыбой пангасиусом с использованием эффекта плавниковых лучей и обучения с подкреплением

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 21861 (2022) Цитировать эту статью

3055 Доступов

1 Цитаты

8 Альтметрика

Подробности о метриках

Мягкие роботы обеспечивают возможность точно имитировать биологические существа и интегрироваться в их окружающую среду с минимальным вторжением или нарушением их экосистемы. Эти роботы, изготовленные из мягких деформирующихся материалов, обладают структурными свойствами и поведением, подобными телам и органам живых существ. Однако их сложно разработать с точки зрения интегрированного срабатывания и измерения, точного моделирования и точного управления. В этой статье представлена ​​мягко-жесткая гибридная роботизированная рыба, вдохновленная рыбой-пангасиусом. В роботе используется гибкая конструкция плавникового хвоста, приводимая в движение серводвигателем, которая действует как мягкое тело робота и обеспечивает волнообразные движения хвостовому плавнику рыбы. Для решения проблем моделирования и управления предлагается обучение с подкреплением (RL) в качестве стратегии управления без модели, позволяющей рыбе-роботу плавать и достигать заданной целевой цели. Тренируя и исследуя RL посредством экспериментов на реальном оборудовании, мы иллюстрируем способность рыбы учиться и достигать требуемых задач.

Подводные глубины оказались очень сложной средой для человека. Исследователи и инженеры стремятся создать подводные роботизированные системы для выполнения этой опасной задачи. От океанических исследований и изучения морской жизни до выполнения подводных миссий и сбора проб, мониторинга и обслуживания морских и подводных сооружений — многие сложные задачи приходится решать в суровых непредсказуемых условиях. Эти водные задачи обычно выполняются с использованием подводных аппаратов, таких как аппараты с дистанционным управлением (ROV) и автономные подводные аппараты (AUV). Тем не менее, АНПА в настоящее время ограничены разведочными операциями на средней глубине, в то время как ROV больше подходят для глубоководных исследований морского дна, но их ограничивают требования привязи и ручного пилотирования. Кроме того, эти системы в основном состоят из жестких деталей, которые ограничивают их маневренность, способность безопасно взаимодействовать с окружающей средой и их адаптируемость к непредсказуемому водному климату1. Использование новых технологических достижений в области биомиметики и мягкой робототехники обеспечивает многообещающие решения для создания роботизированных систем, способных работать более естественно и противостоять этим суровым условиям2,3.

Изучение различных биологических морских существ позволяет лучше понять характеристики, позволяющие им жить и заселять обширные океанические регионы. Черпая вдохновение из морфологии подводных живых организмов, их методов плавания и передвижения, а также их сенсорных возможностей, это помогает в разработке биоинспирированных робототехнических систем, подобных этим существам, что делает этих роботов более подходящими для подводных применений. Движение плавания среди подводных существ демонстрирует разнообразие техник передвижения, руководствуясь морфологическими структурами и формами таких существ4. Большинство водных существ обладают податливыми телами и полагаются на деформацию своего тела для создания тяги, необходимой для передвижения. Наиболее распространенная классификация плавательных движений рыб принята в зависимости от анатомии рыб и их движителей5. Двигая своим телом и плавниками с различной волнообразной или колебательной частотой, рыба может генерировать тягу, необходимую для движения вперед, поворота и маневров ухода. Хотя эта классификация в основном касается плавания рыб и батоидов, другие морские существа, такие как медузы, черепахи, иглокожие и ракообразные, используют различные типы передвижения, такие как реактивное движение, плавание с сопротивлением и ползание. Кроме того, несколько исследований были посвящены индивидуальному и групповому поведению рыб, а также их социальному взаимодействию с биомиметическими роботами-рыбами6,7,8,9,10. Эти исследования дают представление об использовании рыбоподобных роботов для взаимодействия и изучения поведения рыб, а также о механизмах, ответственных за агрегации смешанных фенотипов, а также предоставляют биогибридные стимулы для дальнейшего социального анализа, такого как лечение тревоги и передача информации.