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機器人學(xué)流體力學(xué)指南

流體力學(xué)的原理已經(jīng)開始應(yīng)用于機器人技術(shù)，作為優(yōu)化性能的手段。

流體力學(xué)描述了像水這樣的流體在運動或靜止時的行為。它可以應(yīng)用于多個領(lǐng)域的機器人，包括路徑規(guī)劃和移動方法。

流體力學(xué)與避障

將流體力學(xué)原理應(yīng)用于機器人的第一次嘗試出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代。有人提出，可以通過稱為速度勢法的流體力學(xué)方法來實現(xiàn)避障和更平滑的路徑規(guī)劃。

通過這種方式，機器人可以選擇一種更自然的路徑。

以這種方式繞過障礙物的動作涉及到機器人環(huán)境中流線的構(gòu)建。

這使得路徑規(guī)劃在已知的靜態(tài)障礙物環(huán)境中，以及在未知環(huán)境中，機器人需要對障礙物做出快速和自發(fā)的反應(yīng)。例如，一旦檢測到障礙物，這可以通過計算一組流線來完成。

這些流線的計算是用速度勢函數(shù)算法完成的，該算法不受局部極小的限制。這些流線被轉(zhuǎn)換成一張路線圖。然后選擇允許從先前計劃的軌跡平滑過渡的流線。

速度勢方法中的幾個問題

自引入以來，速度勢方法已發(fā)展成為實時功能。

大多數(shù)試圖利用流體力學(xué)進(jìn)行實時避障的方法都是采用點源和點匯相結(jié)合的方法來構(gòu)造流動。當(dāng)同時使用跟蹤速度矢量和避障矢量時，這種方法可能是不利的。

例如，速度勢法可以與力勢法相結(jié)合。這些可以結(jié)合，或單獨用于車道跳躍，其中流線在運行過程中發(fā)生變化。

軟機器人

雖然尋路使用流體力學(xué)的原理來幫助開發(fā)更好的機器人，但流體力學(xué)可以更直接地應(yīng)用于軟機器人。

軟機器人不像硬機器人那樣由堅硬的剛性部件組成。取而代之的是一種類似于肌肉靜水器的設(shè)計（比如大象的鼻子，不含骨頭、章魚的手臂，甚至連人類的舌頭都沒有）。

軟機器人學(xué)將流體力學(xué)直接應(yīng)用于機器人的結(jié)構(gòu)和設(shè)計中，而不是作為解決問題的理論框架。

例如，一些方法使用軟致動器（硬機器人關(guān)節(jié)）內(nèi)部的粘性流，這意味著了解流體運動的方式對機器人運動很重要。非結(jié)構(gòu)化的機器人在這種復(fù)雜的環(huán)境中有更大的靈活性和靈活性。

在硬機器人中，運動由剛性關(guān)節(jié)中的執(zhí)行器控制，但在軟流體結(jié)構(gòu)連續(xù)的軟機器人中不存在。

“真”軟結(jié)構(gòu)的使用，如章魚臂，目前在優(yōu)化和控制建模、使用的活性材料和制造方面遇到了瓶頸。許多當(dāng)前的模型使用波動運動，如蠕蟲或鰻魚，來進(jìn)行運動，這可能并不適用于所有場景。

路徑規(guī)劃和軟機器人技術(shù)之間也有相互作用。路徑規(guī)劃在軟機器人中通常比較難以應(yīng)用，因為對于機器人形狀的流動性，在有這么多路徑選擇的情況下，如何選擇簡單的路徑還沒有很好的理解。

簡單地說，當(dāng)機器人結(jié)構(gòu)不受剛性關(guān)節(jié)的限制并且可以在所有維度上移動時，可能的空間呈指數(shù)增長，并且可以從更多的可能流中進(jìn)行流選擇，這增加了軟機器人在其當(dāng)前狀態(tài)下的不切實際性。