A Framework for Simulation of Magnetic Soft Robots Using the Material Point Method

机器人 扳手 磁场 有限元法 计算机科学 扭矩 磁铁 弹性(物理) 机械工程 模拟 控制工程 工程类 物理 人工智能 结构工程 量子力学 热力学
作者
Joshua Davy,Peter Lloyd,James H. Chandler,Pietro Valdastri
出处
期刊:IEEE robotics and automation letters [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:8 (6): 3470-3477 被引量:22
标识
DOI:10.1109/lra.2023.3268016
摘要

Simulation represents a key aspect in the development of robot systems. The ability to simulate behavior of real-world robots provides an environment where robot designs can be developed and control systems optimized. Due to the use of external magnetic fields for actuation, magnetic soft robots can be wirelessly controlled and are easily miniaturized. However, the relationship between magnetic soft materials and external sources of magnetic fields present significant complexities in modelling due to the relationship between material elasticity and magnetic wrench (forces and torques). In this work, we present a simulation framework for magnetic soft robots using the Material Point Method (MPM) which integrates hyper-elastic material models with the magnetic wrench induced under external fields. Compared to existing Finite Element Methods (FEM), the presented MPM based framework inherently models self-collision between areas of the model and can capture the effect of forces in non-homogeneous magnetic fields. We demonstrate the ability of the MPM framework to model the influence of magnetic wrench on magnetic soft robots, capture dynamic behavior of robots under time-varying magnetic fields, and provide an accurate representation of deformation when colliding with obstacles. We show the versatility of MPM framework by comparing simulations to a range of real-world magnetic soft robot designs previously presented in the literature.
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