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水中ロボティクスarXiv:2509.16145

変分法によるロボット魚の弾性体ダイナミクスモデリング

Modeling Elastic-Body Dynamics of Robotic Fish Using a Variational Framework

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モーター駆動のロボット魚について、ハミルトンの原理から弾性体の大変形と流体構造連成を考慮した全身ダイナミクスモデルを導出し、遊泳速度とエネルギー効率に及ぼす駆動周波数や剛性分布の影響をシミュレーションで評価した。

詳しい要約

1. どんなもの?

- 魚型水中ロボットの全身体ダイナミクスモデルを提示する研究 - モータ駆動のrobotic fishを対象 - Hamilton's principleから厳密に導出 - 大変形する連続分布弾性体とfluid-structure couplingを扱う - 運動学を事前に与えずにself-propelled motionを実現

2. 先行研究と比べてどこがすごい?

- 柔軟体の波動運動による推進を扱う点が特徴 - 従来との具体的比較は要旨からは不明 - 主張される利点はaccurate・interpretable・computationally tractableなモデリング - 設計最適化と制御の両方を支援する枠組みを目指す

3. 技術・手法の肝は?

- Hamilton's principleに基づくfull-body dynamics model - 連続分布elasticityを大変形まで表現 - fluid-structure coupling effectsを組み込み - 駆動周波数とbody stiffnessをパラメータとして扱う - stiffnessを設計変数として制御最適化に用いる

4. どうやって有効だと検証した?

- 開ループsimulationで駆動周波数とbody stiffnessが遊泳速度・energy efficiencyに与える影響を検討 - 閉ループsimulationでstiffness distributionがvelocity-tracking性能とenergy efficiencyに与える影響を評価 - 実機実験による検証は要旨からは不明

5. 議論はある?

- stiffnessを設計変数とした性能評価・制御最適化への可能性を示す - 限界や仮定の詳細は要旨からは不明 - 実機とのギャップや計算コストの議論は要旨からは不明

6. 次に読むべき論文は?

- 要旨で参照・比較されている個別研究は不明 - 関連手法としてHamilton's principleに基づく柔軟体ロボットのdynamics modeling - fluid-structure interactionを扱う水中ロボットのsimulation研究 - soft robotic swimmerのstiffness設計最適化に関する研究

※ AIが要旨から生成した要約です。正確性は原文をご確認ください。

著者: Zhiheng Chen, Wei Wang

分類: cs.RO

原文アブストラクト

Fish-inspired aquatic robots are gaining increasing attention in marine robot communities due to their high swimming speeds and efficient propulsion enabled by flexible bodies that generate undulatory motions. To support the design optimization and control of such systems, accurate, interpretable, and computationally tractable modeling of the underlying swimming dynamics is indispensable. In this letter, we present a full-body dynamics model for motor-actuated robotic fish, rigorously derived from Hamilton's principle. The model captures the continuously distributed elasticity of a deformable fish body undergoing large deformations and incorporates fluid-structure coupling effects, enabling self-propelled motion without prescribing kinematics. Preliminary open-loop simulations examine how actuation frequency and body stiffness influence the swimming speed and energy efficiency of the robotic fish. Closed-loop simulations further assess how stiffness distribution impacts the controller's velocity-tracking performance and energy efficiency. The results demonstrate the model's potential for performance evaluation and control optimization of soft robotic swimmers when stiffness is treated as a design variable.

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