로봇 플랫폼은 캘리포니아 바다 사자의 Foreflipper를 공부하기
Summary
로봇 플랫폼은 유체 역학적 성능 세력과 수영 캘리포니아 바다 사자의 유동장을 연구하는 데 사용되는 것을 설명한다. 로봇은 추진력 스트로크합니다 ( '박수')의 운동을 복제하는 모터에 의해 구동되는 동물의 foreflipper의 모델이다.
Abstract
캘리포니아 바다 사자 (강치 속에서 californianus)는 민첩하고 강력한 선수입니다. 많은 성공적인 수영 (돌고래, 참치)과는 달리, 그들은 그들의 큰 foreflippers과의 추력의 대부분을 생성합니다. 이 프로토콜은 수영 캘리포니아 바다 사자 (강치 속에서 californianus)의 유체 역학적 성능을 연구하기 위해 설계된 로봇 플랫폼을 설명합니다. 로봇은 추진력 스트로크합니다 ( '박수')의 운동을 복제하는 모터에 의해 구동되는 동물의 foreflipper의 모델이다. 바다 사자의 추진 뇌졸중의 운동은 스미스 소니 언 동물원 (SNZ)에서 표시되지 않은 비 연구 바다 사자의 비디오 데이터에서 추출된다. 이러한 데이터는 여기에서 제공되는 플리퍼 로봇의 작동 모션의 기초를 형성한다. 로봇 플리퍼의 형상은 풀 스케일 플리퍼의 60 %로 축소하는 성인 여성 바다 사자 foreflipper, 고해상도에 레이저 스캔을 기반으로한다. 관절 모델은 세 가지 J가oints, 바다 사자 foreflipper의 팔꿈치, 손목 및 너클 조인트을 흉내 낸. 나머지 가속 할 때 로봇 플랫폼은 역학 특성 – 레이놀즈 수 및 팁 동물 속도의 일치합니다. 로봇 플리퍼가 성능 (힘 및 토크) 및 유동장 결과를 결정하는데 사용될 수있다.
Introduction
과학자들은 바다 사자 수영 (에너지 분야, 운송 비용, 항력 계수, 선형 속도와 가속도 1-3의 기본 특성을 조사하고 있지만, 우리는이 지식없이, 우리는 가능성이 높은 속도를 제한 할 수 있습니다. 시스템의 유체 역학에 대한 정보 부족 높은 기동성 엔지니어링 몸 꼬리 지느러미 (BCF) 운동 모델 4 응용 프로그램. 다른 수영 패러다임을 특징으로, 우리는 따라서. 수영의 조용하고 은밀한 형태를 사용하기 위해 특별히 가능성이있는 사람들을 설계 도구의 우리의 카탈로그를 확장하도록하겠습니다 우리는 5,6 foreflipper 로봇 바다 사자를 사용하여 캘리포니아 바다 사자 및 실험실 조사의 직접 관찰을 통해 바다 사자 수영의 기본 메커니즘을 연구한다.
로봇 플랫폼 7 :이 작업을 수행하기 위해, 우리는 복잡한 생물학적 시스템을 둘러보기에 일반적으로 사용되는 기술을 사용합니다. 여러 운동 연구 – 봇8,9 도보 10 봤어 수영의 시간은 동물 중 하나 (11) 복잡하거나 매우 단순화 (12) 기계 모델을 기반으로 한. 연구자 큰 파라미터 공간을 탐색 13-15시키면서 일반적으로 로봇 플랫폼 모델 시스템의 본질을 유지한다. 항상 전체 시스템을 특성화하는 것은 아니지만, 많은 기관차 시스템의 하나의 구성 요소를 분리 이러한 플랫폼을 통해 알게된다. 예를 들어, 비정상 추진기의 기본 기능은 carangiform 수영하는 동안 꼬리 지느러미의 청소 전후처럼 강렬한 피칭 및 / 또는 상하로 움직이고 패널 12,16,17,18의 실험 조사를 통해 탐구하고있다. 이 경우, 우리는 그 동물을 기반으로 연구 할 수없는 방법으로이 복잡한 동작의 특정 모드를 분리 할 수 있습니다. 추진 그 기본적인 특징은 생물학적 진화 복잡도 제공하지 않아도 차량의 설계에 사용될 수있다.
<p class="본" 논문에서는 "jove_content은"> 우리는 뇌졸중 추력을 생산하는 바다 사자의 '박수'의 위상을 탐험하는 새로운 플랫폼을 제시한다. 단 하나의 foreflipper은 – 더 'roboflipper'-되는 플랫폼에 포함되어 있습니다. 그 형상은 캘리포니아 바다 사자 (강치 속에서 californianus) 시료의 생물학적 검사에서 정확하게 유도된다. roboflipper는 이전 연구 (1)로부터 유래 된 동물의 운동을 복제하기 위해 작동된다. 이 로봇 지느러미는 얻을 수, 수영 바다 사자의 유체 역학적 성능을 조사하고 동물 실험, 큰 수생 포유 동물, 특히보다 넓은 파라미터 공간을 탐색하는 데 사용됩니다.Protocol
Representative Results
Discussion
로봇 플리퍼 장치는 우리가 수영 캘리포니아 바다 사자의 유체 역학을 이해 할 수 있습니다. 이것은 기본적인 추력 생산 스트로크합니다 ( '박수')뿐만 아니라 동물 연구 조사 할 수없는 비 물리적 변화를 포함한다. 로봇 지느러미는 실험 다양성을 위해 설계되었습니다, 따라서 3 단계 – 여기서 자체가되는 지느러미 원하는 결과를 얻는 중요한 만든이-입니다. 이 장치이지만, 명확하게 캘리포…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to thank the George Washington University Facilitating Fund for financial support of the project. Mr. Patel is grateful the George Washington University School of Engineering and Applied Science Summer Undergraduate Program in Engineering Research and the Undergraduate Research award for financial support. Finally, we are grateful to the GWU Center for Biomemetics and Bioinspired Engineering (COBRE) for use of facilities controlled by the center.
Materials
| Dragon Skin 20 | Smooth-on | ||
| Dragon Skin 20 medium | Smooth-on | ||
| Object24 | Stratasys | 3D printer | |
| Stand Mixer | Hamilton | ||
| PKS-PRO-E-10 System | Anaheim Automation | PKS-PRO-E-10-A-LP22 | Controller and Servo Motor |
| Artec Eva | Artec 3D | 3D light scanner with resolution of 0.1mm | |
| Artec Spider | Artec 3D | 3D light scanner with resolution of 0.5mm | |
| Steel plate | Mcmaster | ||
| Carbon Tow | Fibreglast | 2393-A | |
| Hardened Precision 440C Stainless Steel Shaft | Mcmaster | 6253K49 | |
| Tygon PVC Clear Tubing | Mcmaster | 6546T23 | |
| Kevlar Thread | Mcmaster |
Riferimenti
- Feldkamp, S. D. Swimming in the California sea lion: Morphometrics, drag and energetics. Journal of Experimental Biology. 131, 117-135 (1987).
- Godfrey, S. J. Additional observations of subaqueous locomotion in the California sea lion (zalophus californianus). Aquatic Mammals. 11 (2), 53-57 (1985).
- Stelle, L. L., Blake, R. W., Trites, A. W. Hydrodynamic drag in steller sea lions (eumetopias jubatus). The Journal of Experimental Biology. 203 (12), 1915-1923 (2000).
- Yu, J., Wang, L., Tan, M. A framework for biomimetic robot fish’s design and its realization. Proceedings of the American Control Conference. , 1593-1598 (2005).
- Friedman, C., Leftwich, M. C. The kinematics of the California sea lion foreflipper during forward swimming. Bioinspiration and Biomimetics. 9 (4), (2014).
- Friedman, C., Joel, B. W., Schult, A. R., Leftwich, M. C. Noninvasive 3D geometry extraction of a Sea lion foreflipper. Journal of Aero Aqua Bio-mechanisms. 4 (1), 25-31 (2015).
- Aguilar, J., et al. A review on locomotion robophysics: the study of movement at the intersection of robotics, soft matter and dynamical systems. Rep Prog Phys. 79 (11), 110001 (2016).
- Holmes, P., Koditschek, D., Guckenheimer, J. The dynamics of legged locomotion: models, analyses, and challenges. Dynamics. 48 (2), 207-304 (2006).
- Mazouchova, N., Umbanhowar, P. B., Goldman, D. I. Flipper-driven terrestrial locomotion of a sea turtle-inspired robot. Bioinspiration & Biomimetics. 8 (2), 026007 (2013).
- Hultmark, M., Leftwich, M. C., Smits, A. J. Flowfield measurements in the wake of a robotic lamprey. Experiments in fluids. 43 (5), 683-690 (2007).
- Ijspeert, A. J., Crespi, A., Ryczko, D., Cabelguen, J. M. From swimming to walking with a salamander robot driven by a spinal cord model. Science. 315 (5817), 1416-1420 (2007).
- Buchholz, J. H., Smits, A. J. On the evolution of the wake structure produced by a low-aspect-ratio pitching panel. Journal of fluid mechanics. 546, 433-443 (2006).
- Lauder, G. V., Anderson, E. J., Tangorra, J., Madden, P. G. Fish biorobotics: kinematics and hydrodynamics of self-propulsion. Journal of Experimental Biology. 210 (16), 2767-2780 (2007).
- Leftwich, M. C., Smits, A. J. Thrust production by a mechanical swimming lamprey. Experiments in fluids. 50 (5), 1349-1355 (2011).
- Leftwich, M. C., Tytell, E. D., Cohen, A. H., Smits, A. J. Wake structures behind a swimming robotic lamprey with a passively flexible tail. Journal of Experimental Biology. 215 (3), 416-425 (2012).
- Buchholz, J. H., Smits, A. J. The wake structure and thrust performance of a rigid low-aspect-ratio pitching panel. Journal of fluid mechanics. 603, 331-365 (2008).
- Quinn, D. B., Lauder, G. V., Smits, A. J. Scaling the propulsive performance of heaving flexible panels. Journal of fluid mechanics. 738, 250-267 (2014).
- Quinn, D. B., Lauder, G. V., Smits, A. J. Flexible propulsors in ground effect. Bioinspiration & biomimetics. 9 (3), 036008 (2014).
- English, A. W. Functional anatomy of the hands of fur seals and sea lions. American Journal of Anatomy. 147 (1), 1-17 (1976).
- . PRONET-E Quick Start Guide Available from: https://www.anaheimautomation.com/manuals/servo/L011035%20-%20ProNet%20Quick%20Start%20Guide.pdf (2014)
- 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).
