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An experimental validation of the polynomial curvature model: identification and optimal control of a soft underwater tentacle

Résumé

The control possibilities for soft robots have long been hindered by the lack of accurate yet computationally treatable dynamic models of soft structures. Polynomial curvature models propose a solution to this quest for continuum slender structures. Nevertheless, the results produced with this class of models have been so far essentially theoretical. With the present work, we aim to provide a much-needed experimental validation to these recent theories. To this end, we focus on soft tentacles immersed in water. First, we propose an extension of the affine curvature model to underwater structures, considering the drag forces arising from the fluid-solid interaction. Then, we extensively test the model's capability to describe the system behavior across several shapes and working conditions. Finally, we validate model-based control policies, proposing and solving an optimal control problem for directional underwater swimming. Using the model we show an average increase of more than 3.5 times the swimming speed of a sinusoidal baseline controller, with some tentacles showing an improvement in excess of 5.5 times the baseline. IEEE

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Proximité ontologique
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Robotique molle
La robotique molle () est un domaine de la robotique. Ce domaine traite des « robots mous » incluant certains types de drones, et construits en matériaux ou structures souples, élastiques ou déformables tels que le silicone, le plastique, le caoutchouc et autres polymères, les tissus, etc., ou des pièces mécaniques déformables utilisées en robotique, par exemple les ressorts, les élastiques ou les absorbeurs de chocs ou de vibrations.
Natation
La natation, c'est-à-dire l'action de nager (), désigne les méthodes qui permettent aux êtres humains de se mouvoir dans l'eau sans aucune autre force propulsive que leur propre énergie corporelle. Parmi les activités humaines, la natation regroupe le déplacement à la surface de l'eau et sous l'eau (plongée, mermaiding, natation synchronisée, water-polo), le plongeon et divers jeux pratiqués dans l'eau. Elle se pratique en piscine, en eau libre (lac, mer), ou en eau vive (rivière).
Commande optimale
La théorie de la commande optimale permet de déterminer la commande d'un système qui minimise (ou maximise) un critère de performance, éventuellement sous des contraintes pouvant porter sur la commande ou sur l'état du système. Cette théorie est une généralisation du calcul des variations. Elle comporte deux volets : le principe du maximum (ou du minimum, suivant la manière dont on définit l'hamiltonien) dû à Lev Pontriaguine et à ses collaborateurs de l'institut de mathématiques Steklov , et l'équation de Hamilton-Jacobi-Bellman, généralisation de l'équation de Hamilton-Jacobi, et conséquence directe de la programmation dynamique initiée aux États-Unis par Richard Bellman.
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