A Unified Framework for Simulating Strongly-Coupled Fluid-Robot Multiphysics

📄 arXiv: 2506.05012v1 📥 PDF

作者: Jeong Hun Lee, Junzhe Hu, Sofia Kwok, Carmel Majidi, Zachary Manchester

分类: cs.RO, physics.comp-ph, physics.flu-dyn

发布日期: 2025-06-05

💡 一句话要点

提出统一框架以模拟强耦合流体-机器人多物理场问题

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 流体动力学 机器人技术 多物理场 数值模拟 耦合动力学 无滑移边界条件 变分力学 仿真到现实

📋 核心要点

  1. 现有流体-机器人耦合模拟方法在处理复杂边界条件时存在数值不稳定性和物理准确性不足的问题。
  2. 本文提出将流体和机器人动力学作为一个统一的优化问题进行处理，利用变分力学实现稳定的时间积分方案。
  3. 通过在基准流体动力学问题上验证了方法的准确性，并在真实硬件上验证了新型游泳机器人的运动策略，展示了良好的应用潜力。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种将流体-机器人多物理场模拟作为一个统一优化问题的框架。通过最小作用量原理，从单一拉格朗日量推导出耦合的操纵器和不可压缩的纳维-斯托克斯方程。采用离散变分力学，推导出稳定的隐式时间积分方案，以联合模拟流体和机器人动力学，并通过约束条件强制流体-机器人界面的无滑移边界条件。扩展经典的浸没边界方法，提出了一种新的无滑移约束公式，具有良好的数值条件和物理准确性，适用于常见的多体系统。通过基准计算流体动力学问题验证了方法的物理准确性，并在仿真中设计了一种新型游泳机器人的运动策略，展示了该框架在机器人任务中的仿真到现实能力。

🔬 方法详解

问题定义：本文旨在解决流体-机器人系统中耦合动力学模拟的数值不稳定性和物理准确性不足的问题。现有方法在处理复杂边界条件时，往往无法保持稳定性和准确性。

核心思路：通过将流体和机器人动力学视为一个统一的优化问题，利用最小作用量原理推导出耦合的方程，并采用离散变分力学方法实现稳定的时间积分。这种设计能够有效处理流体-机器人界面的无滑移条件。

技术框架：整体框架包括以下几个主要模块：首先，基于拉格朗日量推导耦合的纳维-斯托克斯方程；其次，采用离散变分力学方法进行时间积分；最后，实施无滑移边界条件的约束，确保流体与机器人之间的相互作用准确模拟。

关键创新：本文的主要创新在于提出了一种新的无滑移约束公式，具有良好的数值条件和物理准确性，适用于多体系统。这一创新使得流体-机器人耦合模拟的稳定性和准确性得到了显著提升。

关键设计：在实现过程中，采用了隐式时间积分方案，确保了数值稳定性。此外，设计了特定的损失函数以优化流体与机器人之间的相互作用，确保了模拟的物理真实性。

📊 实验亮点

实验结果表明，所提出的方法在基准流体动力学问题中表现出优越的物理准确性，尤其在Poiseuille流和自由流中的圆盘模拟中，显示出显著的数值稳定性和准确性。新型游泳机器人在仿真和真实硬件上的验证结果一致，展示了良好的仿真到现实能力。

🎯 应用场景

该研究的潜在应用领域包括机器人游泳、流体动力学模拟以及其他需要流体与固体相互作用的工程问题。通过提供一个统一的模拟框架，能够提高机器人在复杂环境中的适应能力，推动智能机器人技术的发展。

📄 摘要（原文）

We present a framework for simulating fluid-robot multiphysics as a single, unified optimization problem. The coupled manipulator and incompressible Navier-Stokes equations governing the robot and fluid dynamics are derived together from a single Lagrangian using the principal of least action. We then employ discrete variational mechanics to derive a stable, implicit time-integration scheme for jointly simulating both the fluid and robot dynamics, which are tightly coupled by a constraint that enforces the no-slip boundary condition at the fluid-robot interface. Extending the classical immersed boundary method, we derive a new formulation of the no-slip constraint that is numerically well-conditioned and physically accurate for multibody systems commonly found in robotics. We demonstrate our approach's physical accuracy on benchmark computational fluid-dynamics problems, including Poiseuille flow and a disc in free stream. We then design a locomotion policy for a novel swimming robot in simulation and validate results on real-world hardware, showcasing our framework's sim-to-real capability for robotics tasks.