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Article de méthode

Une plate-forme robotique pour étudier la Foreflipper de la mer Lion Californie

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DOI :

10.3791/54909

⸱

10 janvier 2017

 ,  ,  , 
1Department of Mechanical and Aerospace Engineering, The George Washington University

Dans cet article

Résumé

Une plate-forme robotique est décrite qui sera utilisée pour étudier les performances-forces et flowfields-de la piscine otarie de Californie hydrodynamiques. Le robot est un modèle de foreflipper de l'animal qui est actionné par des moteurs pour reproduire le mouvement de sa course propulsive (le «clap»).

Résumé

Le lion de mer de Californie (Zalophus de californianus), est un nageur agile et puissant. Contrairement à de nombreux nageurs réussis (les dauphins, le thon), ils génèrent plus de leur poussée avec leurs grandes nageoires antérieures. Ce protocole décrit une plate - forme robotique conçu pour étudier la performance hydrodynamique de la natation otarie de Californie (Zalophus californianus). Le robot est un modèle de foreflipper de l'animal qui est actionné par des moteurs pour reproduire le mouvement de sa course propulsive (le «clap»). La cinématique de la course propulsive du lion de mer sont extraites des données vidéo non marquées, non-recherche lions de mer au parc zoologique du Smithsonian (SNZ). Ces données constituent la base du mouvement d'actionnement de la palme robotique présenté ici. La géométrie du Flipper robotique est basé un balayage d'un foreflipper d'un adulte mer femelle lion, réduite à environ 60% de la palme pleine échelle laser à haute résolution. Le modèle articulé comporte trois joints, imitant l'articulation du coude, du poignet et de jarret de la foreflipper de lions de mer. La plate-forme robotique correspond à la dynamique des propriétés Reynolds nombre et la pointe de vitesse de l'animal lors de l'accélération du repos. Le Flipper robotique peut être utilisé pour déterminer la performance (forces et couples) et flowfields résultant.

Introduction

Alors que les scientifiques ont étudié les caractéristiques de base de lion de mer piscine (energetique, coût du transport, coefficient de traînée, la vitesse linéaire et l' accélération 1-3, nous manquons d' informations sur la dynamique des fluides du système. Sans cette connaissance, nous limitons à haute vitesse potentielle , les applications d'ingénierie de haute manoeuvrabilité à ailettes (BCF) modèles de locomotion du corps-caudale 4. en caractérisant un paradigme de natation différent, nous espérons étendre notre catalogue d'outils de conception, en particulier ceux qui ont le potentiel pour permettre aux plus calmes, les formes furtives de la natation. Ainsi , nous étudions le mécanisme fondamental de la natation de lions de mer par l' observation directe du lion de mer en Californie et des examens de laboratoire en utilisant un lion de mer robotique foreflipper 5,6.

Pour ce faire, nous allons utiliser une technique couramment utilisée pour explorer les systèmes biologiques complexes: une plate - forme robotique 7. Plusieurs études locomotion-both de la marche et la natation 8,9 10 -ont été basée soit sur le complexe 11 ou très simplifiées 12 modèles mécaniques des animaux. En règle générale, les plates - formes de robots conservent l'essence du système modèle, tout en permettant aux chercheurs d'étudier les grands espaces de paramètres 13-15. Bien que pas toujours caractériser l'ensemble du système, beaucoup est appris par ces plates-formes qui isolent un seul composant d'un système de locomotive. Par exemple, le fonctionnement fondamental de propulsors instables, comme le dos-et-vient balayer d'une nageoire caudale lors de la natation carangiform, a été intensément explorée au moyen d' enquêtes expérimentales de tangage et / ou panneaux de soulèvement 12,16,17,18. Dans ce cas, nous pouvons isoler certains modes de ce mouvement complexe de façon à ce que les études sur les animaux en fonction ne peut pas. Ces aspects fondamentaux de la propulsion peuvent ensuite être utilisés dans la conception de véhicules qui ne nécessitent pas l'évolution de la complexité biologique fournit.

Dans cet article, nous présentons une nouvelle plate-forme pour explorer le «coup» phase du lion de mer poussée produisant un AVC. Un seul foreflipper-le «roboflipper'-est inclus dans la plate-forme. Sa géométrie est dérivée exactement des analyses biologiques d'un lion de mer de Californie (Zalophus de californianus) de l' échantillon. Le roboflipper est actionné pour reproduire le mouvement des animaux »provenant d'études précédentes 1. Ce flipper robotique sera utilisé pour étudier la performance hydrodynamique de la piscine lion de mer et d'explorer un espace de paramètres plus large que les études animales, en particulier celles des grands mammifères aquatiques, peut donner.

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Protocole

1. Numériser un spécimen d'un Sea Lion Foreflipper

  1. Numériser un spécimen d'un lion foreflipper mer.
    1. Obtenir un échantillon d'un Flipper lion de mer d'une personne décédée (figure 1a).
      NOTE: Dans notre cas, ils ont été obtenus à partir du parc zoologique du Smithsonian à Washington, DC
    2. Accrocher le foreflipper verticalement à partir de sa base (où le foreflipper attache au corps de l'animal). Cette fois permet au Flipper d'être droite lors du balayage, et expose toute la surface pour la numérisation.
    3. Flipper numérisation à l' aide d' une haute résolution structurée scanner léger, avec une précision d'environ 0,5 mm, et l' erreur d'environ 0,1 mm (figure 1b).
  2. Importez le nuage de points dans le logiciel de CAO et de la rendre comme une surface. Pour ce faire, cliquez sur «Ouvrir» et sélectionnez le fichier .obj désiré. Cliquez sur "Importer" pour importer le fichier dans le logiciel de CAO.
  3. Manipuler le nuage de points résultant en utilisantune conception (CAO) assistée par ordinateur en cliquant sur "cut Extruded 'et découper la partie de chair (partie non désirée) de l'analyse. Ensuite, cliquez sur 'Echelle' pour obtenir la mise à l'échelle appropriée pour le Flipper robotique (68% de la taille normale). Inspecter Flipper pour la capture de détail suffisant en comparant au modèle original (Figure 2).
  4. Créer le moule autour du flipper.
    1. Dans un logiciel de CAO, utilisez les surfaces de flippers pour former un moule en créant un volume entourant autour de la surface de Flipper. Pour ce faire, par extrusion d'un bloc rectangulaire en cliquant sur «Sketch» ​​pour dessiner un rectangle, puis extruder à plus de la hauteur de la nageoire pour englober complètement.
    2. Cliquez sur «Assemblée» et importer les deux parties (flippers et bloc rectangulaire) dans la zone de travail. Cliquez sur 'Mate' et faire le plan de l'avant et le haut de la fois la palme et de moisissures que coïncident. Cette place automatiquement la palme à l'intérieur du moule.
    3. Select le moule de l'arbre de conception et cliquez sur "Modifier la partie '. Une fois que la partie est sélectionnée, cliquez sur 'Insertion> Caractéristiques> Cavity' pour faire une cavité de la palme à l'intérieur du moule. Dessinez une ligne au centre du moule rectangulaire et cliquez sur 'de Split' pour former deux parties du même moule.
    4. Cliquez sur 'Part Cut' pour séparer le volume entourant en deux parties pour l'extraction de Flipper facile. Insérez des cavités et des chevilles sur chaque moitié du volume et de l' enregistrer dans le cadre d' un et deux du moule de Flipper (Figure 3).
    5. Convertir les fichiers de la '.SLDRPT' du moule pour '.STL'. Importez ces fichiers dans le logiciel propriétaire de l'imprimante 3D et cliquez sur 'Imprimer' pour générer le moule 3D imprimé.

2. Concevoir la structure osseuse

  1. Ouvrez le foreflipper numérique dans un logiciel de CAO et d'obtenir une image du lion de mer foreflipper structure osseuse pour référence (tels que Figure1 en anglais, 1977 19).
  2. Concevoir trois pièces différentes qui imitent la structure osseuse qui conviendra à l'intérieur du modèle numérique de la foreflipper. Tout au long de cette procédure, «base» fait référence à la fin d'une partie plus proche de la base du foreflipper et «tip» fait référence à la fin de la partie plus proche de la pointe de l'foreflipper.
    1. Pièce de base
      1. Faire la longueur de cette pièce proportionnelle à la distance entre l'articulation de l'épaule et le poignet de la nageoire Sea lion (mesures sont obtenues en utilisant un ruban à mesurer). Pour ce faire , en utilisant un logiciel de CAO en cliquant sur «Sketch» et la conception de la forme de la pièce de base (Figure 4).
      2. Ajouter articulations aux deux extrémités de la partie en cliquant sur «Sketch» ​​et deux cercles. Cliquer sur le patron Extruder "pour extruder la longueur désirée à partir du plan de la pièce de base. Cliquez sur le croquis du petit cercle pour couper dans l'extruder en cliquant sur 'Extrusion Cut' pour fairela chambre pour l'arbre. Pour renforcer cette articulation, cliquez sur 'Fillet' pour lisser les joints tranchants.
        REMARQUE: Les dimensions des milieux dépend de la taille de l'arbre à être utilisé lors du montage de la bandelette au-dessus du canal d'amenée d'eau. Dans notre cas, le diamètre du plus petit cercle est de 0,5 pouces et le plus grand cercle est de 1 pouces. L'extrémité de base sera assis à l'extérieur de la géométrie de la peau de Flipper, de sorte que la taille de la phalanges ne tombe pas sous les contraintes de la peau.
    2. Piece Moyen
      1. Faire la longueur de cette pièce proportionnelle à la distance entre l'articulation du poignet et de la genouillère d'un lion de mer. Pour ce faire , en cliquant sur «Sketch» et dessiner la forme souhaitée (comme le montre la figure 4b) sur un plan. Une fois que la géométrie est conçue, cliquez sur 'Extrusion' pour obtenir la forme en trois dimensions de base de la pièce centrale. Entrer la longueur extrudée comme 0.1650 pouces.
        NOTE: La forme souhaitée de la pièce centraleDans notre expérience est un trapèze avec une hauteur de 2,25 pouces et la longueur des deux bases comme 1,625 et 0,850 pouces, respectivement.
      2. Ajouter les jointures sur les deux extrémités. Pour ce faire, comme décrit à l'étape 2.2.1.2. Le diamètre de la coupe extrudée est de 0,125 pouces. Connecter les doigts sur l'extrémité de base à la fin de la pièce de base avec un axel de pointe pour former une charnière qui représente l'articulation du poignet.
        NOTE: Les doigts doivent adapter à l'intérieur du volume de la foreflipper, afin de concevoir en conséquence.
      3. Ajouter une tour d'environ 1 cm de hauteur à la fin de la pièce sur les deux côtés de la pointe.
        1. Pour ajouter une tour, cliquez sur «Sketch» ​​et esquisser un rectangle sur la base du modèle. Extrudez l'esquisse en sélectionnant l'esquisse et en cliquant sur «Patron Extrusion '. L'épaisseur de la tour dans ce cas particulier est de 0,165 pouces.
        2. Cliquez sur 'Fillet' et sélectionnez le modèle et un bord de la tour extrudé. Cela renforce l'articulation forte, où la tour et le base de la pièce centrale sont connectés. Il est correct si la tour dépasse de la géométrie de la peau. La tour doit être assez épaisse pour résister aux forces générées lors d'un coup de flipper. Voir Figure 4 pour référence.
    3. Astuce Piece
      1. Faire la longueur de cette pièce proportionnelle à la distance entre la genouillère et la pointe de la plus longue os de doigt d'un lion de mer. Pour ce faire, en cliquant sur «Sketch» ​​et esquisse une forme désirée sur un plan. Une fois que la géométrie est conçue, cliquez sur extruder pour obtenir la forme en trois dimensions de base de la pièce de pointe.
      2. Ajouter les jointures sur les deux extrémités. Pour ce faire, comme décrit à l'étape 2.2.1.2. Le diamètre de la découpe extrudé doit être égal au diamètre de l'essieu, qui, dans cette expérience est de 0,125 pouces. Les doigts sur l'extrémité de base seront connectés à la fin de la pièce centrale avec un axe de pointe pour former une charnière qui représente la genouillère. La géométrie de ces KNUckles doit adapter à l'intérieur de la géométrie de la peau de foreflipper, afin de concevoir en conséquence.
      3. Ajouter une tour d'environ 1 cm de hauteur à l'extrémité de base de la pièce sur les deux côtés. Pour ce faire, décrit à l'étape 2.2.2.3. L'épaisseur de la tour dans ce cas particulier est de 0,165 pouces. Il est correct si la tour dépasse de la géométrie de la peau. La tour doit être assez épaisse pour résister aux forces générées lors d'un coup de flipper. Voir la figure 5 pour référence.

3. Création d'un Flipper

  1. 3D imprimer le squelette (base, pièces intermédiaires et pointe) de la palme. Convertir le fichier '.SLDRPT' à partir de CAD à «.STL» et l'importer dans un logiciel propriétaire de l'imprimante et cliquez sur 'Imprimer'.
    REMARQUE: Les instructions d'impression sont différentes pour chaque imprimante.
    1. Renforcez les doigts de la pièce centrale et la pointe d'un adhésif (époxy) et des fils de carbone. Pour ce faire, couper carbsur les filets de longueur 0,750 pouces. Appliquer la colle sur les 3D imprimées structures osseuses et de jeter les filets sur les doigts. Il est nécessaire de renforcer les grandes articulations sur la pièce de base (figure 5a).
    2. Les trous de forage au fond de chaque tour le diamètre de la chaîne de Kevlar (cordes qui seront utilisés pour actionner les articulations).
    3. Assemblez tous les morceaux d'os ensemble à partir de la base au sommet en utilisant des essieux. Pour ce faire , en plaçant tous les composants sur une table plate comme le montre la figure 4. Pour connecter la base et pièce centrale, aligner les doigts des parties et insérez l'essieu. Utilisez la même technique pour relier le milieu et la pièce de bout ensemble. Utiliser un adhésif à chaque extrémité de chaque essieu pour assurer l'essieu ne se déplace pas latéralement (figure 5b).
    4. Couper des tubes en plastique à la longueur suivante. Couper quatre tubes de la longueur de la pièce osseuse de base (L 1 = 8 cm) et deux tubes de la longueur de la pièce centrale (L 2 = 6 cm).
    5. Couper 4 morceaux de Kevstring lar, chaque 3 pieds de longueur.
    6. Faites glisser une corde à travers un tube L 1, puis un tube L 2. Faites glisser une autre chaîne à travers un tube L 1. Répétez le processus avec les tubes restants et les chaînes.
    7. Placer les tubes sur le dessus des structures osseuses et utiliser un ruban adhésif transparent pour les maintenir en position temporairement. En utilisant un adhésif, coller les tubes sur la structure osseuse, puis retirez les bandes.
      NOTE: Il n'y a pas de position spécifique dans laquelle les tubes doivent être placés, l'aspect essentiel est de simplement les coller sur la surface de la structure. Utilisez la figure 5c comme une ligne directrice.
    8. Enfiler la chaîne Kevlar de L 1 et L 2 tubes tube à travers les trous percés sur les pointes et moyennes pièces comme décrit à l' étape 3.1.2. Faire un petit noeud sécurisé une fois que la chaîne est à travers le trou (Figure 5d).
  2. L'ajout de la peau de la bandelette afin de créer un retournement finale.
    1. Mesurer 200 ml de silicet le support de silicium dans deux récipients différents.
    2. Verser ces deux liquides dans un bol en acier. Ajouter un diluant à peinture (ne pas dépasser 10% du poids du mélange total) au mélange pour faciliter la coulée et le mélange.
    3. Utilisez un batteur pour bien mélanger le mélange pendant 3 - 4 min. La couleur peut être ajouté à cette étape pour obtenir les effets visuels souhaités. Si un batteur sur socle ne sont pas disponibles, utiliser un fouet pour mélanger, en prenant soin de racler les parois et le fond du récipient.
    4. Insérez une tige dans les doigts de la partie de base et l'aligner avec les doigts du moule de Flipper. Quand les pions entrent dans les cavités du moule, la structure de l'os est parfaitement aligné dans le moule de retournement. Tout en maintenant vers le bas sur les deux parties du moule, fixer les pièces à l'aide d'un dispositif de serrage pour la compression supplémentaire (cette étape est essentielle pour que le mélange de silicium ne fuit pas de l'écart entre les deux parties).
    5. Une fois que le mélange est mélangé, versez délicatement dans le moule jusqu'à ce que les articulations les plus hautesde la structure osseuse. Suintement de liquide du fond de trou dans le moule est un signe du mélange se répartie uniformément. Au début de ce fait, boucher le trou afin d'éviter un écoulement ultérieur du liquide. Laisser le liquide sécher pendant quatre heures avant de retirer le robot de Flipper du moule (voir Figure 6).

4. Montage

  1. Pour monter le foreflipper de silicium sur le canal d' amenée d'eau (figure 7), de créer une structure de montage. Une représentation CAO de l'assemblage final est représenté. (Figure 8).
    1. Concevoir une plaque avec une coupe soigneusement extrudé en utilisant un logiciel de CAO. Cliquez sur «Sketch» ​​et dessiner un rectangle de dimensions 14 x 19 pouces (la hauteur n'a pas d'importance que la découpe au laser utilise un fichier .dwg). Utilisez une feuille rectangulaire d'acier comme base pour la fabrication de cette plaque. Ajouter un dessin en deux dimensions à partir du logiciel de CAO sur un ordinateur connecté à une découpe au laser en acier pour atteindre les coupes désirées.
      NOTE: Thimaisons de la plaque signalétique du moteur et de la coupe en elle permet au système de poulie pour travailler. La largeur de la plaque est égale à la largeur du canal d'amenée de l'eau, rendant ainsi plus facile de faire glisser la plaque sur le canal. Ce type de placement contribue à faciliter le retrait de l'ensemble de montage pour remplacer les pièces ou le modèle de foreflipper.
    2. Fixer le foreflipper et la poulie sur un arbre, qui se glisse dans un treillis triangulaire.
      REMARQUE: Un système à trois poulies est mis en oeuvre pour transférer le couple / puissance du moteur à la tige.
    3. Utilisez des paliers de chaque côté pour aider la tige à tourner en douceur. Pour limiter le mouvement de la tige dans la direction latérale, placer les colliers d'arbre à chaque extrémité de l'arbre.
  2. Régler le mouvement du Flipper en sélectionnant la fonction de jogging sur le conducteur. En appuyant sur le bouton 'Up' tourne la nageoire droite et le bouton 'Down' tourne dans le sens antihoraire de Flipper. Le pilote permet de changement des tours par minute du moteurarbre selon les instructions du manuel 20.
  3. Insérer le port de colorant à angle droit dans l'eau et d'augmenter la pression sur le système de teinture. Ajuster la vitesse du colorant à la vitesse Freestream de l'eau, de sorte que le colorant se présente comme un seul filament lisse. Tourner le Flipper de telle sorte que le colorant interagit et est piégé avec les tourbillons résultant générés.

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Résultats

Le procédé décrit ci-dessus donne un modèle robotique d'une otarie de Californie foreflipper. Le modèle peut être utilisé de deux manières différentes. On est en actionnant la palme uniquement à la base (figure 6a). Dans ce cas, le moteur d'entraînement règle la vitesse de rotation de la première articulation, mais le mouvement résultant de la bandelette est déterminée par l'interaction fluide-structure entre la bandelette élastique et l'eau environnante...

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Discussion

L'appareil de Flipper robotique va nous permettre de comprendre les hydrodynamisme de la natation otarie de Californie. Cela comprend la production de poussée course de base (le «clap»), ainsi que des variations non-physiques que les études sur les animaux ne peuvent pas enquêter. Le Flipper robotique a été conçu pour la polyvalence expérimentale, donc, étape 3 où le Flipper est lui-même fait-est essentiel pour obtenir les résultats souhaités. Bien que cet appareil est, clairement, simplement un modèle du système vi...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

Les auteurs tiennent à remercier le Fonds de facilitation de l’Université George Washington pour le soutien financier du projet. M. Patel est reconnaissant envers le programme d’été de premier cycle en recherche en ingénierie de l’École d’ingénierie et de sciences appliquées de l’Université George Washington et le prix de recherche de premier cycle pour leur soutien financier. Enfin, nous sommes reconnaissants au GWU Center for Biomememetics and Bioinspired Engineering (COBRE) pour l’utilisation des installations contrôlées par le centre.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Dragon Skin 20Smooth-on
Dragon Skin 20 mediumSmooth-on
Object24Imprimante 3DStratasys
Batteur sur socleHamilton
PKS-PRO-E-10 SystemAnaheim AutomationPKS-PRO-E-10-A-LP22Contrôleur et servomoteur
Artec EvaArtec 3DScanner de lumière 3D avec une résolution de 0,1 mm
Artec SpiderScanner de lumière 3D Artec 3Davec une résolution de 0,5 mm
Plaque d’acierMcmaster
Carbon TowFibreglast2393-A
Acier inoxydable 440C trempéde précision Mcmaster6253K49
Tygon PVC Clear TubingMcmaster6546T23
Fil KevlarMcmaster

Références

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  21. Fish, F. E., Legac, P., Williams, T. M., Wei, T. Measurement of hydrodynamic force generation by swimming dolphins using bubble DPIV. Journal of Experimental Biology. 217 (2), 252-260 (2014).

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Réimpressions et autorisations

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