Flexible octopus arms exhibit an exceptional ability to coordinate large numbers of degrees of freedom and perform complex manipulation tasks. As a consequence, these systems continue to attract the attention of biologists and roboticists alike. In this paper, we develop a three-dimensional model of a soft octopus arm, equipped with biomechanically realistic muscle actuation. Internal forces and couples exerted by all major muscle groups are considered. An energy shaping control method is described to coordinate muscle activity so as to grasp and reach in 3D space. Key contributions of this paper are: (i) modeling of major muscle groups to elicit three-dimensional movements; (ii) a mathematical formulation for muscle activations based on a stored energy function; and (iii) a computationally efficient procedure to design task-specific equilibrium configurations, obtained by solving an optimization problem in the Special Euclidean group SE(3). Muscle controls are then iteratively computed based on the co-state variable arising from the solution of the optimization problem. The approach is numerically demonstrated in the physically accurate software environment Elastica. Results of numerical experiments mimicking observed octopus behaviors are reported.


翻译:软章鱼臂的三维模型,配备了生物机能实实在在的肌肉动力学; 考虑由所有主要肌肉组群施加的内部力量和伴侣; 描述一种能量成形控制方法,以协调肌肉活动,从而在3D空间捕捉和接触。 本文的主要贡献是:(一) 模拟主要肌肉组,以吸引三维运动;(二) 以存储的能量功能为基础,为肌肉激活制作数学配方;(三) 设计特定任务平衡配置的计算高效程序,通过解决特别Euclidan SE(3) 组的优化问题获得。 肌肉控制随后根据因解决优化问题而产生的共点变量进行迭接计算。 这种方法在物理精确的软件环境埃斯特加中以数字显示。 数字实验模拟观察到的章鱼的行为结果被报告。

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