Summary
Bir robot platformu hidrodinamik performans güçleri ve yüzme Kaliforniya deniz aslanı-of flowfields incelemek için kullanılan olacağını tarif edilmektedir. Robot onun itici inme ( 'alkış') hareketini çoğaltmak için motorlar tarafından çalıştırılmaktadır hayvanın foreflipper bir modeldir.
Abstract
Kaliforniya deniz aslanı (Zalophus californianus), bir çevik ve güçlü bir yüzücü olduğunu. pek çok başarılı yüzücüler (yunuslar, ton balığı) aksine, onların büyük foreflippers ile itme çoğu oluşturur. Bu protokol yüzme Kaliforniya deniz aslanı (Zalophus californianus) hidrodinamik performansını incelemek için tasarlanmış bir robot platformu açıklar. Robot onun itici inme ( 'alkış') hareketini çoğaltmak için motorlar tarafından çalıştırılmaktadır hayvanın foreflipper bir modeldir. deniz aslan itici inme kinematik Smithsonian Zooloji Parkı (SNZ) de işaretsiz, araştırma dışı deniz aslanları video verileri elde edilir. Bu veriler Burada sunulan robot kola çalıştırılması hareketinin temelini oluşturmaktadır. Robotik kola geometrisi tam ölçekli flipper yaklaşık% 60 ölçekli bir yetişkin dişi deniz aslanı bir foreflipper, yüksek çözünürlüklü lazer tarama dayanmaktadır. belden modeli üç j vardıroints, deniz aslanı foreflipper dirsek, el bileği ve mafsal eklem taklit. diğerlerinden hızlanırken robot platformu dinamikleri özellikleri-Reynolds sayısı ve uç hayvan hiz-eşleşir. Robotik kanatçık performansı (güçleri ve momentleri) eklendi ve elde flowfields belirlemek için kullanılabilir.
Introduction
Bilim adamları deniz aslanı yüzme (enerjetiği, taşıma maliyeti, sürükleme katsayısı, doğrusal hız ve ivme 1-3 temel özelliklerini araştırdık iken, biz bu bilgi olmadan, potansiyel yüksek hız sınırı. Sistemin akışkan dinamiği hakkında bilgi eksikliği yüksek manevra mühendislik vücut kuyruk yüzgeci (BCF) lokomosyon modelleri 4 uygulamaları. farklı bir yüzme paradigma karakterize, biz Böylece. yüzme sessiz, gizlenebilir formları sağlamak için özellikle potansiyeli olan tasarım araçları bizim katalog, genişletmeyi umuyoruz biz 5,6 foreflipper bir robot deniz aslanı kullanarak Kaliforniya deniz aslanı ve laboratuar araştırmaları doğrudan gözlem yoluyla deniz aslanı yüzme temel mekanizmasını incelemek.
Bir robot platformu 7: Bunu yapmak için, biz karmaşık biyolojik sistemlerin keşfetmek için yaygın olarak kullanılan bir yöntem istihdam sağlayacak. Çeşitli lokomosyon çalışmaları-bot8,9 yürüyüş ve 10 sahibi olur yüzme h hayvanların ya 11 karmaşık ya da yüksek derecede basitleştirilmiş 12 mekanik modellere dayalı olarak. Araştırmacılar büyük parametre boşluk 13-15 keşfetmek için izin verirken Tipik olarak, robotik platformlar, model sistemin özünü korur. Her zaman tüm sistemi karakterize olmasa da, pek bir lokomotif sisteminin tek bir bileşeni izole bu platformlar aracılığıyla öğrenilir. Örneğin, kararsız pervane temel işleyişi, carangiform yüzme sırasında bir kuyruk yüzgeci süpürme arka ve ileri-gibi, yoğun yunuslama ve / veya kaldırılma panellerin 12,16,17,18 deneysel araştırmalar sonucunda incelenmiştir. Bu durumda, söz konusu hayvan dayalı çalışmalar yapamaz yollarla bu karmaşık hareket belirli modları ayırabilirsiniz. tahrik olanlar temel yönleri daha sonra biyolojik karmaşıklık evrim sağlar gerekmez araçların tasarımında kullanılabilir.
(Zalophus californianus) örnek biyolojik taramaları tam türetilmiştir. Roboflipper önceki çalışmalarda 1 elde edilen hayvanların hareketini çoğaltmak için harekete geçirilir. Bu robot Flipper verebilmesidir, yüzme, deniz aslanı hidrodinamik performansını araştırmak ve hayvan çalışmalarında, büyük sucul memeli özellikle daha geniş bir parametre alanı keşfetmek için kullanılacaktır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Bir deniz aslanı Foreflipper bir numune Sayısallaştır
- Bir deniz aslanı foreflipper bir örnek tarayın.
- Ölen bir birey (Şekil 1a) bir deniz aslanı Flipper bir örnek almak.
NOT: Bizim durumumuzda, onlar Washington DC'deki Smithsonian Zooloji Parkı elde edildi - (Foreflipper hayvanın vücuduna bağlanır) tabanından dikey foreflipper asın. Bu, hem tarandığında Flipper düz olmasını sağlar ve tarama için tüm yüzeyi sunar.
- Tarama, yaklaşık 0,5 mm lik bir hassasiyetle ışıklı tarayıcı yapılandırılmış bir yüksek çözünürlük kullanılarak kanatçık ve yaklaşık 0.1 mm bir hata (Şekil 1b).
- Ölen bir birey (Şekil 1a) bir deniz aslanı Flipper bir örnek almak.
- CAD yazılımları içine nokta bulutu İthalat ve bir yüzey olarak render. Bunu yapmak için, 'Aç' tıklayın ve istediğiniz .obj dosyasını seçin. CAD yazılımı içine dosyasını almak için 'Al' üzerine tıklayın.
- Oluşan nokta bulutu işleyin'Ekstrüde kesim' üzerine tıklayarak ve tarama eti parçası (istenmeyen parçası) keserek bir bilgisayar destekli tasarım (CAD) yazılımı. Sonraki, robotik kola (tam boyutta% 68) için uygun ölçeklendirme elde etmek için 'Ölçek'i tıklayın. Orijinal numune (Şekil 2) karşılaştırarak yeterli detay yakalamak için Flipper kontrol edin.
- flipper etrafında kalıp oluşturun.
- Bir CAD yazılımı, Flipper yüzeyi etrafında bir çevre hacmi oluşturarak bir kalıp oluşturmak için Flipper yüzeyleri kullanın. Bir dikdörtgen çizmek için 'Sketch' tıklayarak bir dikdörtgen blok ekstrüzyon ve ardından kola yüksekliği tamamen kapsayacak şekilde daha fazla onu ekstrüzyon bunu yapın.
- 'Meclis' tıklayın ve çalışma alanına iki parçayı (Flipper ve dikdörtgen blok) ithal. 'Mate' tıklayın ve eş zamanlı olarak kola ve kalıp hem ön ve üst düzlemi yapmak. Bu, otomatik olarak kalıbın içinde Flipper yerleştirir.
- Seletasarım ağacından kalıp ve ct 'Edit Part tıklayın. bölüm seçildikten sonra, kalıbın içinde kola bir boşluğu yapmak için 'Ekle> Özellikler> Boşluk' üzerine tıklayın. dikdörtgen kalıbın ortasına bir çizgi çizin ve aynı kalıbın iki parça oluşturmak için 'Split ile' üzerine tıklayın.
- Kolay Flipper çıkarılması için iki parçaya çevreleyen hacim ayırmak için 'Cut Bölüm' üzerine tıklayın. Hacminin her bir yarısında boşlukları ve mandal yerleştirin ve parçası bir ve Flipper kalıbın iki (Şekil 3) olarak kaydedin.
- 'Stl' kalıbın '.SLDRPT' dosyalarını dönüştürün. 3D yazıcının sahipli yazılım bu dosyaları aktarın ve 3D basılı kalıp oluşturmak için 'Yazdır' üzerine tıklayın.
2. Kemik yapısını tasarlama
- (Gibi bir CAD yazılımı, dijital foreflipper açın ve referans için kemik yapısı foreflipper Deniz aslanı bir görüntü elde etmek şekilİngilizce 1, 1977 19).
- foreflipper dijital modeli içine sığacak kemik yapısını taklit üç farklı parçaları tasarlayın. bu işlem boyunca, 'temel' yakın foreflipper ve "uç" tabanına bir kısmının sonuna gelir foreflipper ucuna yakın kısmının sonuna gelir.
- taban parçası
- omuz eklemi ve Deniz aslanı flipper bilek arasındaki mesafeye bu parçanın uzunluğu orantılı olun (ölçümler ölçüm bandı kullanılarak elde edilir). (Şekil 4) 'Sketch' üzerine tıklayarak ve taban parçasının şeklini tasarlayarak bir CAD yazılımı kullanarak bunu.
- 'Kroki' üzerine tıklayarak ve iki daire çizerek parçanın her iki ucunda eklemleri ekleyin. Baz parçasının düzleminden istenen uzunluğu a'ya 'Patron Yükseltme' üzerine tıklayın. 'Cut Extrude' tıklayarak yapmak ile extrude içine kesmek için küçük bir dairenin kroki tıklayınşaft için oda. Bu ortak güçlendirmek için, keskin eklemleri smoothen 'Fileto' üzerine tıklayın.
Not: çevrelerde boyutları mili boyutuna bağlı su oluklu en kanatçığın montaj sırasında kullanılmak üzere. Bizim durumumuzda, küçük çemberin çapı 0.5 inç ve daha büyük daire 1 inç. taban ucu palet cilt geometri dışında oturan olacak, bu yüzden eklemleri boyutu cilt kısıtları altında girmemektedir.
- Orta Adet
- bilek ekleminde ve deniz aslan boğum eklemi arasındaki mesafeye bu parçanın uzunluğu orantılı olun. 'Kroki' üzerine tıklayarak ve bir düzlem üzerinde (Şekil 4b gösterildiği gibi) istenilen şekil çizimi bunu yapın. geometri tasarlanmış sonra, orta parçanın temel üç boyutlu bir şekil elde etmek için 'Yükseltme' üzerine tıklayın. Giriş 0,1650 inç olarak ekstrüde uzunluğu.
NOT: Orta parçasının istenilen şekilBizim deneyde 2.25 inç yüksekliğinde ve 1.625 ve 0.850 inç sırasıyla iki bazlar uzunluğunda bir yamuk olduğunu. - iki ucunda eklemleri ekleyin. Adım 2.2.1.2 açıklandığı gibi yapın. ekstrüde edilmiş kesme çapı 0.125 inçtir. bilek eklemi temsil eden bir menteşe oluşturmak için bir axel ile taban parçasının ucu ucuna taban ucunda eklemleri bağlayın.
NOT: eklemleri foreflipper hacmi içine sığacak, bu yüzden buna göre tasarlamak gerekir. - her iki tarafta parçanın uç kısmına bir kule yüksekliği yaklaşık 1 cm ekleyin.
- Bir kule eklemek için, 'Kroki' tıklayın ve modelin temelinde bir dikdörtgen çiziniz. kroki seçip 'Patron Yükseltme' tıklayarak kroki a'ya. Bu özel durumda kulenin kalınlığı 0.165 inçtir.
- 'Fileto' tıklayın ve modelini ve çekme kulenin bir kenarını seçin. Bu keskin eklem güçlendirir nerede kule ve baorta parçasının se bağlanır. Kule cilt geometri çıkıntı eğer tamamdır. Kule bir palet alkış sırasında oluşturulan kuvvetleri dayanabilecek kadar kalın olmalıdır. Referans için bakınız Şekil 4.
- bilek ekleminde ve deniz aslan boğum eklemi arasındaki mesafeye bu parçanın uzunluğu orantılı olun. 'Kroki' üzerine tıklayarak ve bir düzlem üzerinde (Şekil 4b gösterildiği gibi) istenilen şekil çizimi bunu yapın. geometri tasarlanmış sonra, orta parçanın temel üç boyutlu bir şekil elde etmek için 'Yükseltme' üzerine tıklayın. Giriş 0,1650 inç olarak ekstrüde uzunluğu.
- İpucu Adet
- mafsal eklem ve deniz aslanı en uzun parmak kemiğinin ucu arasındaki mesafe, bu parçanın uzunluğu orantılı olun. 'Kroki' üzerine tıklayarak ve bir düzlem üzerinde istenilen şekil çizim bunu yapın. geometri tasarlanmış sonra, uç parçasının temel üç boyutlu bir şekil almak için extrude tıklayın.
- iki ucunda eklemleri ekleyin. Adım 2.2.1.2 açıklandığı gibi yapın. ekstrüde edilmiş kesme çapı bu deneyde 0.125 inç aks çapına eşit olmalıdır. alt ucu eklemler mafsal ortak temsil eden bir menteşe oluşturmak için bir aks orta parçanın uç kısmına bağlanır. Bu KNU geometrisickles buna göre tasarlamak, foreflipper cilt geometri içine sığacak gerekiyor.
- her iki tarafta parçasının alt ucu için bir kule yüksekliği yaklaşık 1 cm ekleyin. Do bu adımda 2.2.2.3 açıklandığı. Bu özel durumda kulenin kalınlığı 0.165 inçtir. Kule cilt geometri çıkıntı eğer tamamdır. Kule bir palet alkış sırasında oluşturulan kuvvetleri dayanabilecek kadar kalın olmalıdır. Referans için Şekil 5'e bakınız.
- taban parçası
3. Bir Flipper oluşturma
- 3D kola iskeletini (taban, orta ve uç parça) yazdırın. 'Stl' olarak CAD '.SLDRPT' dosya dönüştürme ve yazıcının özel bir yazılım içe ve 'Yazdır' ı tıklatın.
NOT: Baskı talimatları her yazıcı için farklıdır.- bir yapıştırıcı (epoksi) ve karbon parçacıkları ile orta ve uç parçasının eklemleri güçlendirmek. Bunu yapmak için, karbonhidrat kesmekuzunluğu 0,750 inç parçacığı üzerinde. 3D baskılı kemik yapıları yapıştırıcıyı uygulayın ve eklemleri üzerinde Konuları yatıyordu. Taban parçası (Şekil 5A) geniş eklemleri güçlendirmek için gerekli değildir.
- Her bir alt delik delme Kevlar dizesi (eklem çalıştırılması için kullanılacak şeritler) çapını kule.
- aksları kullanarak ucuna tabanından hep birlikte kemik parçaları birleştirin. Şekil 4'te gösterildiği gibi düz bir masanın üzerine tüm bileşenleri yerleştirerek bunu yapın. taban ve orta parça bağlamak için, parçaların eklemleri uyum ve aks yerleştirin. Birlikte orta ve uç parçası bağlamak için aynı tekniği kullanın. Yanal olarak (Şekil 5B) hareket etmez aks sağlamak için her aksın iki ucundaki bir yapıştırıcı kullanarak.
- Aşağıdaki uzunlukta plastik tüpler kesin. Dört tüpün taban kemik parçasının (L 1 = 8 cm) iki tüp, orta parça (L 2 = 6 cm) uzunluğu uzunluğunu azaltabilir.
- Kev 4 adet kesilmişlar dize uzunluğu her 3 feet.
- L 1 tüp ve daha sonra bir L 2 tüp aracılığıyla bir dize kaydırın. L 1 tüp aracılığıyla başka bir dize kaydırın. Kalan tüpler ve dizeleri ile bu işlemi tekrarlayın.
- kemik yapıları üstüne tüpleri yerleştirin ve geçici konumunda onları tutmak için net bir bant kullanın. bir yapıştırıcı kullanılarak, kemik yapısı üzerine tüpleri sopa ve sonra bantları çıkarın.
NOT: tüpler yerleştirilmesini sahip olduğu özel konum yoktur, kritik yönü yapının yüzeyinde onları sopa sadece etmektir. Bir kılavuz olarak Şekil 5c kullanın. - Adım 3.1.2 de açıklandığı gibi ucu ve orta parçalara üzerine açılan deliklere L 1 tüp ve L 2 tüp kevlar dize geçirin. Dize deliği (Şekil 5d) aracılığıyla bir kez küçük ama güvenli bir düğüm yapın.
- kola deri ekleme nihai Flipper oluşturun.
- silik 200 mL ölçünve iki farklı kaplarda silikon ortamı.
- Bir çelik kase içine bu sıvı hem dökün. Kolay dökülmesi ve karıştırma için karışıma tiner (toplam karışımın ağırlıkça% 10 geçmeyecek şekilde) ekleyin.
- 4 dakika - 3 Karışımı iyice karıştırmak için bir stant karıştırıcı kullanın. Renk istenen görsel etkiler elde etmek için bu aşamada eklenebilir. Bir stand mikser mevcut değilse, kabın kenarlarını ve alt kazımak için özen, karıştırarak bir fırçalamak kullanın.
- taban kısmının eklemleri içine bir çubuk yerleştirin ve Flipper kalıp eklemleri ile hizalayın. mandal kalıp boşluklarına sığacak zaman kemik yapısı palet kalıp mükemmel hizalanmış. Kalıbın iki parça basılı tutarken, (silikon karışımı iki parça arasında boşluktan akmaması için bu adım önemlidir) ilave sıkıştırma için bir kelepçe kullanarak parçaları sabitleyin.
- Karışım karıştırılır sonra, dikkatli bir şekilde en üst eklemleri kadar kalıp içinde dökünKemik yapısının. kalıp alt delikten sıvı sızmaya düzgün yayılı alma karışımı bir işaretidir. Bu başlangıcında da sıvı daha fazla akışını önlemek için deliği. Kalıptan Flipper robot çıkarmadan önce dört saat tedavi için sıvı bırakın (Şekil 6).
4. Montaj
- Su oluklu (Şekil 7) silikon foreflipper monte etmek için bir montaj yapısı oluşturmak. Bitmiş düzeneğin bir CAD gösterimi gösterilmiştir. (Şekil 8).
- CAD yazılımı kullanarak bir dikkatle haddelenmiş kesim ile bir tabak tasarlayın. 'Kroki' tıklayın ve 14 x 19 inç (lazer kesici bir .dwg dosyasını kullanır yükseklik fark etmez) boyutları bir dikdörtgen çizin. Bu plaka üretmek için temel olarak bir çelik dikdörtgen levha kullanın. İstenilen kesimler elde etmek için çelik bir lazer kesici bağlı bir bilgisayarda CAD yazılımından iki boyutlu çizim yükleyin.
NOT: This plaka evler, motor ve kasnak sistemi çalışması için izin verir kesilmiş. plakanın genişliği ve böylece daha kolay oluklu plaka üzerinde kaymasına hale su kanalı genişliğine eşittir. yerleştirme Bu tür parçaları veya foreflipper modeli yerine montaj montaj kolay çıkarılması yardımcı olur. - foreflipper ve bir üçgen kafes içine slaytlar bir şaft üzerine kasnağı, Fix.
NOT: Üç makara sistemi çubuğuna motordan tork / güç aktarmak için uygulanmaktadır. - sorunsuz döndürmek için çubuk yardımcı iki tarafında yataklarını kullanın. yanal doğrultuda çubuğun hareketini kısıtlamak için, şaftın her iki ucunda mil yaka yerleştirin.
- CAD yazılımı kullanarak bir dikkatle haddelenmiş kesim ile bir tabak tasarlayın. 'Kroki' tıklayın ve 14 x 19 inç (lazer kesici bir .dwg dosyasını kullanır yükseklik fark etmez) boyutları bir dikdörtgen çizin. Bu plaka üretmek için temel olarak bir çelik dikdörtgen levha kullanın. İstenilen kesimler elde etmek için çelik bir lazer kesici bağlı bir bilgisayarda CAD yazılımından iki boyutlu çizim yükleyin.
- sürücüsünde koşu fonksiyonunu seçerek kola hareketini ayarlayın. 'Up' düğmesine basılması Flipper saat yönünde döner ve 'down' tuşu Flipper saat yönünün tersine döner. Sürücü değişim için motorun dakikada devir veriyormanuel 20 talimatlara göre şaft.
- Suda dik açılı boya noktasını yerleştirin ve boya sistemi üzerinde baskıyı artırmak. boya, tek bir düzgün lif olarak görünür, böylece suyun serbest akım hızının boyanın hızını ayarlayın. boya etkileşim ve sonuçta üretilen vortices ile tuzağa düşer ve böylece Flipper döndürün.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Yukarıda tarif edilen işlem California deniz aslanı foreflipper bir robot modeli verir. model iki farklı şekilde kullanılabilir. Bir tek kökü (Şekil 6a) de Flipper harekete gereğidir. Bu durumda, tahrik motoru, ilk eklemin dönme hızını ayarlar, ancak kola elde edilen hareketi, esnek kola ve çevresindeki su arasında akışkan yapı etkileşimi ile belirlenir. Buna ek olarak, kök (Şekil 6b) ek olarak iki düşük derzlerde harekete geçirilir robot palet oluşturabilir. Bu iskelet parçaları üzerine basılmış kule yapılar aracılığıyla yapılır. kulelere bağlı Teller motorları ayırmak bağlı olan ve aktif alkışlar hareketi sırasında kola ve kamber kontrol edebilirsiniz.
Robotik kola amacı h keşfetmek içinKaliforniya deniz aslanı itici inme ydrodynamics 2014 1 Friedman açıklandığı gibi. Bunu yapmanın bir yolu, niteliksel, boya temelli akış görselleştirme geçer. Robotik kanatçık, yukarıda tarif edilen düzeneği kullanılarak, devridaim suyu oluklu (Şekil 7) monte edilir. Motor ve akış hızı, Flipper akor dayalı Reynolds sayısı olarak uzay-gibi belirli bir parametreyi keşfetmek için ayarlanır (Re = Cu / ν ν su dinamik viskozitesini olduğu) ya da açısal hız, ω, ya da hızlanma, α .
Şekil 9'da gösterilen bir boya görselleştirme floresan boya kolun ön kenarının hemen önce enjekte kullanır. boya flipper yüzeyindeki kayma tabakası içine sürüklenen ve bize sonrasında vorteks yapısını görselleştirmek için izin verir. Şekil </ strong> 9a boya akışı kolun, (sağda) yukarı enjekte ediliyor gösterir. Resmin sol tarafında görülen rahatsızlıklar önceki döngünün sonucudur. Flipper enjeksiyon konumu (Şekil 9b) üzerinden ilerlerken, kola üst yüzeyindeki düşük basınçlı boya flipper etrafında çekilmiş neden olur. Son olarak, (Şekil 9c), kola gibi girdap formları düzleminden dışarı tam hareket eder. Ortalama akışı ile aşağı Bu yapı convects. Bu sonuçlar, bu teknik nitelik itme hareketi esnasında, deniz aslanı çevreleyen akış alanını belirlemek için nasıl kullanılabileceğini göstermektedir.
Flipper sonrasında niteliksel ölçümlerine ek olarak, Flipper çevreleyen hız alanını ölçmek için parçacık görüntüleyerek hız ölçümü (PIV) kullanabilirsiniz. Böylece, hidrodinamiği hakkında nitel veriler elde edebilirsiniztekrarlanabilir durumların çeşitli için deniz aslanı yüzme s.
Şekil 1: Flipper Alt karşılaştırılması. Bir kadın Kaliforniya deniz aslanı bir örnekten bir sol foreflipper robotik Flipper geometrik parametreleri belirlemek için kullanılır. Üst panel (a) kola bir yüksek çözünürlüklü, iki boyutlu bir görüntüdür. Alt panel (b) lazer taraması kola bir üç boyutlu, bilgisayar destekli tasarım verilmesidir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 2: Tel. Taranan kola dijital görüntü korumakHayvanın foreflipper geometrik özelliklerini s. Bu görüntü, dijital kola bir tel çerçeveli görünümünü gösterir. Dokuz eşit aralıklı enine kesitler (foreflipper ucu taban her santimetre) gri renkle gösterilir. İki izometrik görüntüleridir (kesit 1 ve 7) kolun daha kalın, önde gelen yuvarlak kenarlı bir hava torbası-benzeri bir şekle sahip olduğunu göstermektedir. kanatçık üst yüzeyi konveks ve iç yüzeyi içbükey, bombelidir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 3: kalıp. Robotik kola esnek kısmını oluşturmak için kullanılan kalıp taranan Flipper numune oluşturulur. erkek ve fem ile uyumlu olan bir üst (mor) ve bir alt bölümü (yeşil): kalıp iki bölümden oluşursırasıyla ale mesaj. Silikon Karışım kalıba dökülmeden önce robotu iskeleti (Şekil 4) kalıbın içinde hizalanır. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 4: İskelet. Esnek robot kola üç adet basılan bir iskelet tarafından desteklenmektedir: baz (a), orta (b) ve uç (c). Taban ve orta ve orta ve uç, onların eklemlerde eklemleri vasıtasıyla dübel ile bağlanır. Bu tamamlanmış kola bu yerleri hakkında esneklik sağlar. Bu figu büyük halini görmek için buraya tıklayınızyeniden.
Şekil 5: İskelet Montaj. Baskıdan sonra, iskelet parçaları, eklemleri, karbon parçacıkları ile güçlendirilmiş (a), onlar axels (b), rehber-tüpler bağlı taban ve orta parçalara (c) ve Kevlar dişlerine yapıştırılmış olan eklemleri de bağlanır kuleler (d). Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 6: Robotik Flipper. robotik kola bir ankastre plastik destek yapısı (mavi) ile esnek silikon (beyaz) yapılmıştır. rota taklit baz döndükçe de şaft,hayvan dirsek ve omuz yon. Robotik Flipper pasif olabilir: (a), sadece kökünde devreye girer ve elde edilen hareket sıvı-yapı etkileşimleri dayanır nerede, ya da aktif (b) eklemleri kamber gerekli değişiklikleri sağlamak için Kevlar telleri bağlamak nerede. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 7: Flume. Akış deneyleri George Washington Üniversitesi'nde sirkülasyon su oluklu yapılmaktadır. kanalet, 0.40 (derinlik) metre 0.60 (genişlik) bir çalışma bölüm vardır 10 metre uzunluğunda ve en fazla 1 m / s akış hızlarında çalışabilir. Akış şekilde, sağdan sola doğru olduğunu. Robotik kanatçık figu gösterilen tertibatı kullanılarak monte edilirTest bölümünün üst kısmındaki raylara 8 yeniden. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 8: Montaj. Robotik Flipper özel bir montaj ile bir sirkülasyon oluklu monte edilir. montaj bir kemer ve üç kasnaklar aracılığıyla (robotik kola kökünde bulunur) robotik kola ana eksenine bağlı bir servo motoru tutar. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 9: görselleştirme Boya. Floresanboya çırpma kolun üst kısmında bulunan bir tüp içinden enjekte edilir. Zaman üç örneği gösterilmiştir: döngüsü t = 0, (a) bir başlangıç döngüsü t = 0.4 ve (c) 'ye yol (b)% 40 döngü t = 0.8% 80 sonra. Sağ panelde (c), biz çırparak robot kola ucu etrafında oluşan bir girdap görebilirsiniz. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Robotik Flipper aparatı bize yüzme Kaliforniya deniz aslan hidrodinamik anlamak sağlayacaktır. Bu temel itki üreten inme ( 'alkış') yanı sıra, hayvan çalışmaları araştırmak olamaz fiziksel olmayan varyasyonları içerir. Robotik Flipper deneysel yönlülük için dizayn edilmiştir, böylece, adım 3-nerede kendisidir Flipper istenen sonuçları elde kritik made-olduğunu. Bu cihaz olmasına rağmen, açıkça, Kaliforniya deniz aslanı in situ çalışmalarında yaşayan sisteminin sadece bir model, son derece zor ve olası veri aralığı oldukça sınırlıdır.
Büyük su hayvanlar üzerinde bazen mümkün, hız alanı ölçümleri çok zor olsa da (non-araştırma notu izleme cam, çevre üzerinde hiçbir kontrolü eğitimsiz hayvanlar gibi), ve hatalar laboratuar deneylerinde 21 daha yüksektir. Dahası, onlar ise hayvanlara erişim gerektirenBiz derinlemesine incelemeler için izin inşa gibi sık sık elde etmek imkansız ve bu gibi durumlarda robot platformları. kadar sadakatle mümkün olduğunca yaşam sistemini kopyalayan ek olarak, robotik modellerimiz sayesinde gerçekçi bir şekilde değiştirmek için izin verir. Örneğin, kalıp arka kenar morfolojisini değiştirmek için modifiye edilebilir. Veya, yüzey dokusu yüzme performansı üzerindeki mikro rolünü araştırmak için değiştirilebilir.
biyolojik sistemin performansını araştırmak için bir robot platformunun kullanımı bu sadece kısmi bir görünüm verir sistemi-bu yaklaşımın bir sınırlama yoktur. Bundan başka, bu özel protokol deniz aslanı gövdesinin geri kalan foreflipper izole eder. Böylece, sonuçlar sistemi ve vücut flipper etkileşimleri tam bir görünüm sunuyor olmaz. kas iskelet sys dağıtılmış harekete karşı daha fazla sınırlamalar (Flipper ve nokta bilge harekete homojen özelliklerini içerirdardı). Buna ek olarak, bu materyal uyumludur ve fiziksel sistem içinde mevcut olmadığında, akışkan yapı etkileşimlere neden olabilir. Bu yakından genel biyolojik özellikleri çoğaltmak malzemeler kullanılarak minimize edilir, ama tamamen kontrol altında olamaz. Bu kısıtlamalara rağmen, çok farklı aktivasyon modları ve akış koşullarının performanslarını karşılaştırarak öğrenilebilir.
Robotik Flipper verimli yüzme Kaliforniya deniz aslanı eşsiz bir paradigmanın temel fizik içgörü sağlayacak zengin bir araştırma projesinin temelini oluşturacak. Platform esnektir ve her palet minimum maliyet ile hızlı bir şekilde yapılabilir. yeni araştırma soruları ortaya Böylece, büyük bir parametre uzayı test edilebilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 0.1 mm | |
| Artec Spider | Artec 3D | 3D light scanner with resolution of 0.5 mm | |
| 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 |
References
- 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).
