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方法文章

一种用于研究加州海狮前鳍肢的机器人平台

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DOI：

10.3791/54909

⸱

2017年1月10日

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

本文内容

摘要

本文描述了一种机器人平台，该平台将用于研究加州海狮游泳时的水动力学性能——包括受力和流场。该机器人是动物前鳍肢的模型，通过电机驱动，以复制其推进冲程（“拍击”）的运动。

摘要

加州海狮（Zalophus californianus）是一种敏捷而强壮的游泳者。与许多游泳能力强的动物（如海豚、金枪鱼）不同，它们主要依靠宽大的前肢鳍状肢产生推力。本方案描述了一种用于研究加州海狮（Zalophus californianus）游泳水动力性能的机器人平台。该机器人模拟了动物的前肢鳍状肢，通过电机驱动，重现其推进划水动作（即“拍击”动作）。海狮推进划水的运动学参数源自史密森尼动物园（SNZ）中未标记、非实验用途的海狮视频数据。这些数据构成了本文所述机器人鳍状肢驱动运动的基础。机器人鳍状肢的几何结构基于对成年雌性海狮前肢鳍状肢进行高分辨率激光扫描的结果，并按全尺寸的约60%进行缩放。该关节式模型包含三个关节，分别模拟海狮前肢鳍状肢的肘部、腕部和指关节。当从静止状态开始加速时，该机器人平台能够匹配动物的动态特性——雷诺数和鳍尖速度。该机器人鳍状肢可用于测定其运动性能（力和扭矩）以及所产生的流场。

引言

尽管科学家已研究过海狮游泳的基本特征（能量学、运输成本、阻力系数、线速度和加速度1-3），但我们对这一系统的流体动力学仍缺乏了解。由于缺乏这方面的知识，目前高速、高机动性的工程应用仅局限于身体-尾鳍（BCF）推进模式4。通过表征一种不同的游泳模式，我们希望扩展可用于设计的工具库，特别是那些有望实现更安静、更隐蔽游泳方式的技术。因此，我们通过直接观察加州海狮以及利用机器人海狮前肢鳍状肢在实验室中开展研究，来探究海狮游泳的基本机制5,6。

为此，我们将采用一种常用于研究复杂生物系统的手段：机器人平台7。已有多个运动机制的研究——包括行走8,9和游泳10——基于对动物的复杂11或高度简化的机械模型12。通常，机器人平台保留了模型系统的核心特征，同时使研究人员能够探索广泛的参数空间13-15。尽管这些平台未必能表征整个系统，但通过隔离运动系统中的单一组分，仍可获得大量信息。例如，对于非定常推进器的基本功能——如鲹科鱼类游泳时尾鳍的来回摆动——已通过实验研究摆动和/或升沉平板得到了深入探讨12,16,17,18。在这种情况下，我们能够以动物实验无法实现的方式，分离出这种复杂运动的某些特定模式。这些推进机制的基本原理随后可被用于设计无需依赖生物进化所赋予的复杂结构的运载工具。

本文介绍了一种用于研究海狮推进划水过程中“拍击”阶段的新型实验平台。该平台仅包含一个前鳍肢——“机器鳍肢”（roboflipper），其几何形状完全基于对加州海狮（Zalophus californianus）标本的生物学扫描数据构建。机器鳍肢的运动由驱动系统控制，以复现先前研究中获得的动物实际运动模式1。该机器人鳍肢将用于探究海狮游泳时的水动力学性能，并拓展对参数空间的研究范围，其广度远超对动物本身（尤其是大型水生哺乳动物）所能开展的实验研究。

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方案

1. 对海狮前鳍足标本进行数字化处理

  1. 扫描海狮前鳍肢标本。
    1. 从已故个体中获取海狮鳍肢标本（图1a）。
      注：在本例中，标本来源于美国华盛顿特区的史密森尼动物园。
    2. 将前鳍肢从其基部（即前鳍肢与动物身体连接处）垂直悬挂。此方式既可使鳍肢在扫描时保持平直，又能充分暴露整个表面以便扫描。
    3. 使用高分辨率结构光扫描仪对鳍肢进行扫描，扫描精度约为0.5 mm，误差约为0.1 mm（图1b）。
  2. 将点云数据导入CAD软件并渲染为曲面。操作时，点击“打开”，选择所需的.obj文件，然后点击“导入”以将文件载入CAD软件中。
  3. 使用计算机辅助设计（CAD）软件对生成的点云进行处理：点击“拉伸切除”，切除扫描数据中的软组织部分（非所需部分）；随后点击“缩放”，将模型按适当比例缩放至机器人鳍肢所需尺寸（全尺寸的68%）。通过与原始标本对比，检查鳍肢模型是否充分捕捉了细节（图2）。
  4. 围绕鳍肢创建模具。
    1. 在CAD软件中，利用鳍肢曲面构建模具，方法是在鳍肢曲面周围创建一个包围体积。具体操作为：点击“草图”绘制一个矩形，然后将其拉伸至超过鳍肢高度，以完全包覆鳍肢。
    2. 点击“装配体”，将两个部件（鳍肢和矩形块）导入工作区域。点击“配合”，使鳍肢与模具的前平面和上平面重合，从而自动将鳍肢置于模具内部。
    3. 从设计树中选择模具，点击“编辑零件”。选中零件后，点击“插入>特征>型腔”，在模具内部生成鳍肢的空腔。在矩形模具中心绘制一条线，然后点击“分割”，将模具分为两个相同的部分。
    4. 点击“分割零件”，将包围体积分离为两部分，以便于后续取出鳍肢。在体积的每一半上插入型腔和定位销，并分别保存为鳍肢模具的第一部分和第二部分（图3）。
    5. 将模具的'.SLDRPT'文件转换为'.STL'格式。将这些文件导入3D打印机的专用软件，点击“打印”，生成3D打印模具。

2. 设计骨骼结构

  1. 在 CAD 软件中打开数字前鳍肢模型，并获取海狮前鳍肢骨骼结构的参考图像（例如 Figure 1 in English, 197719）。
  2. 设计三个不同的部件，以模仿骨骼结构，使其能够适配前鳍肢数字模型的内部。在整个过程中，“基部”指部件靠近前鳍肢基部的一端，“尖端”指部件靠近前鳍肢尖端的一端。
    1. 基部部件
      1. 使该部件的长度与海狮鳍肢肩关节到腕关节之间的距离成比例（通过卷尺测量获得数据）。在 CAD 软件中，点击“草图（Sketch）”并设计基部部件的形状（图 4）来完成此操作。
      2. 通过点击“草图（Sketch）”并在部件两端各绘制两个圆，添加关节。点击“凸台拉伸（Boss Extrude）”从基部部件平面上拉伸出所需长度。点击较小圆的草图，再选择“切除拉伸（Cut Extrude）”在拉伸体上切出轴孔空间。为增强该连接处强度，点击“圆角（Fillet）”以平滑尖锐的连接处。
        注：圆的尺寸取决于安装鳍肢于水槽上方时所用轴的尺寸。在本例中，小圆直径为 0.5 英寸，大圆直径为 1 英寸。基部端将位于鳍肢皮肤几何结构外部，因此关节尺寸不受皮肤结构的限制。
    2. 中部部件
      1. 使该部件的长度与海狮腕关节到指关节之间的距离成比例。通过点击“草图（Sketch）”并在一个平面上绘制所需形状（如 图 4b 所示）来完成。几何结构设计完成后，点击“拉伸（Extrude）”获得中部部件的基本三维形状。输入拉伸长度为 0.1650 英寸。
        注：本实验中，中部部件的期望形状为梯形，高度为 2.25 英寸，两个底边长度分别为 1.625 英寸和 0.850 英寸。
      2. 在部件两端添加关节。操作方法同步骤 2.2.1.2。拉伸切除的直径为 0.125 英寸。通过轴将中部部件基部端的关节与基部部件的尖端连接，形成代表腕关节的铰链。
        注：关节需适配前鳍肢内部空间，因此应据此进行设计。
      3. 在部件两侧的尖端处添加一个高度约为 1 cm 的塔状结构。
        1. 要添加塔状结构，点击“草图（Sketch）”并在模型基部绘制一个矩形。选择该草图后点击“凸台拉伸（Boss Extrude）”进行拉伸。本例中塔状结构的厚度为 0.165 英寸。
        2. 点击“圆角（Fillet）”，选择模型及拉伸塔的一个边缘。这可以加强塔与中部部件基部连接处的尖锐连接。塔状结构允许略微突出于皮肤几何结构之外。塔的厚度应足以承受鳍肢拍击时产生的力。参见 图 4 作为参考。
    3. 尖端部件
      1. 使该部件的长度与海狮指关节到最长指骨末端之间的距离成比例。通过点击“草图（Sketch）”并在一个平面上绘制所需形状来完成。几何结构设计完成后，点击“拉伸（Extrude）”获得尖端部件的基本三维形状。
      2. 在部件两端添加关节。操作方法同步骤 2.2.1.2。拉伸切除的直径应等于轴的直径，本实验中为 0.125 英寸。通过轴将尖端部件基部端的关节与中部部件的尖端连接，形成代表指关节的铰链。这些关节的几何结构需适配前鳍肢皮肤内部空间，因此应据此进行设计。
      3. 在部件两侧的基部端添加一个高度约为 1 cm 的塔状结构。操作方法同步骤 2.2.2.3。本例中塔状结构的厚度为 0.165 英寸。塔状结构允许略微突出于皮肤几何结构之外。塔的厚度应足以承受鳍肢拍击时产生的力。参见 图 5 作为参考。

3. 制作一个翻转器

  1. 3D 打印鳍状肢的骨架（基部、中部和末端部件）。将 CAD 软件生成的 '.SLDRPT' 文件转换为 '.STL' 格式，并导入打印机的专用软件中，点击“打印”。
    注意：不同打印机的打印说明可能有所不同。
    1. 使用粘合剂（环氧树脂）和碳纤维线对中部和末端部件的指节进行加固。具体操作为：剪取长度为 0.750 英寸的碳纤维线，将粘合剂涂在 3D 打印出的骨骼结构上，并将碳纤维线铺设在指节处。基部部件上的大指节无需加固（图 5a）。
    2. 在每个塔状结构的底部钻孔，孔径应与凯夫拉线（用于驱动关节的线）直径一致。
    3. 使用轴销从基部到末端依次组装所有骨骼部件。操作时，将所有组件如 图 4 所示平放在桌面上。连接基部与中部部件时，对齐两部分的指节并插入轴销；采用相同方法连接中部与末端部件。在每个轴销的两端涂抹粘合剂，以确保轴销不会发生横向移动（图 5b）。
    4. 将塑料管裁剪至以下长度：裁剪四根长度等于基部骨骼部件的管子（L1 = 8 cm），以及两根长度等于中部部件的管子（L2 = 6 cm）。
    5. 裁剪四段凯夫拉线，每段长度为 3 英尺。
    6. 将一根凯夫拉线依次穿过一根 L1 管和一根 L2 管；另一根线仅穿过一根 L1 管。对剩余的管子和线重复此过程。
    7. 将管子放置在骨骼结构上方，并用透明胶带临时固定位置。随后使用粘合剂将管子粘附在骨骼结构上，再移除胶带。
      注意：管子的具体位置无严格要求，关键在于将其牢固粘贴在结构表面即可。可参考 图 5c 进行操作。
    8. 将来自 L1 管和 L2 管的凯夫拉线穿过步骤 3.1.2 中所述在末端和中部部件上钻好的孔。线穿过孔后打一个虽小但牢固的结（图 5d）。
  2. 为鳍状肢添加表皮，以制成完整的鳍状肢。
    1. 分别在两个不同的容器中量取 200 mL 的硅胶和硅胶介质。
    2. 将这两种液体倒入一个不锈钢碗中。加入稀释剂（重量不得超过总混合物的 10%），以便于倾倒和混合。
    3. 使用立式搅拌机将混合物充分搅拌 3 至 4 分钟。此时可加入颜料以达到所需的视觉效果。若无立式搅拌机，可使用打蛋器手动搅拌，并注意刮擦容器的侧壁和底部。
    4. 将一根杆插入基部部件的指节中，并与鳍状肢模具的指节对齐。当销钉完全嵌入模具的凹槽时，表明骨骼结构已在模具中正确对位。在压紧模具两部分的同时，使用夹具进一步固定，以增加压缩力（此步骤至关重要，可防止硅胶混合物流出模具缝隙）。
    5. 混合完成后，小心地将混合物倒入模具中，直至覆盖骨骼结构最顶端的指节。模具底部小孔有液体渗出，表明混合物已均匀分布。一旦出现渗出，立即封堵小孔以防止液体继续流出。将模具静置固化四小时后，方可取出鳍状肢机器人（见 图 6）。

4. 封片

  1. 将硅制前鳍肢安装到水槽上（图7）时，需制作一个安装结构。完成后的装配体的CAD示意图如（图8）所示。
    1. 使用CAD软件设计一块带有精确拉伸切口的平板。点击“草图”并绘制一个尺寸为14 x 19英寸的矩形（高度无关紧要，因为激光切割机使用.dwg文件）。以一块矩形钢板作为基础材料来制造该平板。将CAD软件中的二维图纸上传至连接钢制激光切割机的计算机，以实现所需的切割。
      注：该平板用于安装电机，其上的切口可使皮带轮系统正常工作。平板的宽度等于水槽的宽度，便于将平板滑装到水槽上方。此类安装方式有利于轻松拆卸整个安装组件，以便更换部件或前鳍肢模型。
    2. 将前鳍肢和皮带轮固定在同一根轴上，该轴可插入三角形桁架结构中。
      注：采用三皮带轮系统，将扭矩/动力从电机传递至传动杆。
    3. 在轴的两侧安装轴承，以确保传动杆能够平稳旋转。为限制传动杆在横向的移动，在轴的两端安装轴套。
  2. 通过驱动器上的点动功能设置鳍肢的运动。“向上”按钮使鳍肢顺时针旋转，“向下”按钮使其逆时针旋转。根据操作手册中的说明20，驱动器可调节电机轴的每分钟转数。
  3. 将直角染料注入管插入水中，并增加染料系统的压力。调节染料流速至与水流主流速度一致，使染料呈现为一条连续平滑的细丝。旋转鳍肢，使染料与所产生的涡旋相互作用并被捕获其中。

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结果

上述过程可制备出一种加州海狮前鳍肢的机器人模型。该模型可通过两种不同方式使用。一种是仅在根部驱动鳍肢（图6a）。在此情况下，驱动电机设定第一关节的旋转速率，但鳍肢的实际运动由柔性鳍肢与周围水体之间的流固耦合作用决定。此外，我们还可以在根部之外，同时在下方两个关节处驱动机器人鳍肢（图6b）。这一设计通过打印在骨架部件上的塔状结构实现。连接至塔状结构的导线分别与独立电机相连，可在拍打运动过程中主动控制鳍肢的弯度。

机器人鳍肢的用途是研究加州海狮推进划水过程中的水动力学特性，如 Friedman 20141 所述。一种定性研究方法是基于染料的流动可视化。机器人鳍肢通过上述组件安装在循环水槽中（图 7）。通过设定电机和水流速度，以探索特定参数空间——例如基于鳍肢弦长的雷诺数（Re = cU/ν<...

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讨论

该机械鳍装置将有助于我们理解加州海狮游泳时的水动力学特性，包括产生推力的基本划水动作（即“拍击”），以及动物实验无法研究的非物理性变化。该机械鳍的设计具有实验上的灵活性，因此第3步——即制造鳍肢本身——对于获得理想结果至关重要。尽管该装置显然只是生物系统的模型，但对加州海狮进行原位（in situ）研究极为困难，且可获取的数据范围非常有限。

尽管有时可行，但对大型水生动物进行速度场测量非常困难（例如 未经训练的动物、非研究级观察玻璃、环境条件无控制），且误差高于实验室实验21此外，研究这些动物通常需要直接接触活体，而这种情况往往难以实现；在这种情况下，我们所构建的这类机器人平台则能够实现深入的研究。除了尽可能真实地复制生物系统外，机器人模型还允许我们以非自然的方式对其进行改造。例如，可以修改模具以改变尾缘的形态，或者改变表面纹理，以研究微观结构对游泳性能的影响。

利用机器人平台研究生物系统的性能只能提供该系统的部分信息——这是该方法的局限性。此外，本特定方案将海狮的前鳍...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

作者感谢乔治·华盛顿大学促进基金对本项目提供的经费支持。Patel 先生感谢乔治·华盛顿大学工程与应用科学学院工程研究暑期本科生项目以及本科生研究奖提供的经费支持。最后，我们感谢乔治·华盛顿大学生物仿生与仿生工程中心（COBRE）提供由该中心管理的设施使用权限。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
Dragon Skin 20Smooth-on
Dragon Skin 20 中等黏度型Smooth-on
Object24Stratasys3D 打印机
立式搅拌机Hamilton
PKS-PRO-E-10 系统Anaheim AutomationPKS-PRO-E-10-A-LP22控制器与伺服电机
Artec EvaArtec 3D分辨率为 0.1 mm 的 3D 光学扫描仪
Artec SpiderArtec 3D分辨率为 0.5 mm 的 3D 光学扫描仪
钢板Mcmaster
碳纤维束Fibreglast2393-A
硬化精密 440C 不锈钢轴Mcmaster6253K49
Tygon PVC 透明软管Mcmaster6546T23
凯夫拉线Mcmaster

参考文献

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