Salps are marine animals consisting of chains of jellyfish-like units. Their efficient underwater locomotion by coordinating multi-jet propulsion has aroused great interest in robotics. This paper presents a geometric mechanics framework for salp-inspired robots. We study a new type of geometric mechanics models inspired by salps, in which control inputs are not restricted to the shape axes, analyze nonlinear controllability, and develop motion planning and feedback control methods. We introduce the "LandSalp" robot, which serves as a physical realization of the reduced-order, drag-dominated model of salp swimming, enabling controlled evaluation of locomotion strategies without many confounding factors of underwater experiments. We extend least-squares- and inverse-dynamics-based system identification to learn the Riemannian metric of the drag-dominated model from experimental data using Lie group differentiation. With about three minutes of data, we identify an accurate model of LandSalp. Simulation and hardware experiments demonstrate omnidirectional locomotion, shape regulation, and bending maneuvers, providing a principled pathway toward more capable salp-inspired robots.


翻译:樽海鞘是由水母状单元组成的链状海洋生物。它们通过协调多喷流推进实现高效水下运动,这引起了机器人学界的极大兴趣。本文提出了一种受樽海鞘启发的机器人几何力学框架。我们研究了一类新型的受樽海鞘启发的几何力学模型,其中控制输入不受限于构型轴,分析了非线性可控性,并开发了运动规划与反馈控制方法。我们介绍了"LandSalp"机器人,它作为樽海鞘游动的降阶、阻力主导模型的物理实现,能够在排除水下实验诸多混杂因素的情况下对运动策略进行受控评估。我们扩展了基于最小二乘和逆动力学的系统辨识方法,利用李群微分从实验数据中学习阻力主导模型的黎曼度量。使用约三分钟的数据,我们成功辨识出LandSalp的精确模型。仿真与硬件实验展示了全向运动、构型调节和弯曲机动能力,为开发更高性能的樽海鞘仿生机器人提供了原理性路径。

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