Summary

机器人平台研究加州海狮的Foreflipper

Published: January 10, 2017
doi:

Summary

一个机器人平台描述将被用于研究水动力性能,力量和游泳加州海狮-的流场。机器人是动物的foreflipper的模型是由电机致动以复制其推进冲程(即'霹')的运动。

Abstract

加州海狮(Zalophus californianus),是一种敏捷和强大的游泳运动员。与许多成功的游泳(海豚,金枪鱼),它们产生与大foreflippers大部分推力。本协议描述旨在研究游泳加州海狮(Zalophus californianus)的水动力性能的机器人平台。机器人是动物的foreflipper的模型是由电机致动以复制其推进冲程(即'霹')的运动。海狮的推进行程的运动是由史密森动物园(SNZ)无人盯防,非研究海狮的视频数据中提取。这些数据构成这里提出的机器人导板的致动运动的基础。机器人的鳍状肢的几何形状是根据一个成年雌性海狮的foreflipper,扩展到全尺寸的鳍状肢的60%左右的高清晰度激光扫描。铰接式模型有3Ĵoints,模仿海狮foreflipper的肘,腕关节和关节。该机器人平台,从静止加速时动力匹配性能雷诺数和小费动物速度的。机器人脚蹼可用来确定性能(力和力矩)和所得的流场。

Introduction

虽然科学家已经研究了海狮游泳(热力学,运输成本,风阻系数,线性速度和加速度1-3基本特征我们缺乏对系统的流体动力学的信息。如果没有这个知识,我们限制潜在的高速,高机动性工程应用到身体的尾鳍(BCF)运动款4。通过表征不同的游泳范式,我们希望扩大我们的设计工具目录,特别是那些有潜力实现更安静,游泳的隐秘的形式。因此,我们使用机器人海狮foreflipper 5,6通过加州海狮和实验室调查的直接观察研究海狮游泳的基本机制。

要做到这一点,我们会聘请探索复杂的生物系统中常用的技术:机器人平台7。一些运动的研究,机器人步行8,9和游泳10 -具备h的是基于对动物的任何复杂的11或高度简化的12机械模型。通常情况下,机器人平台保留了模型系统的精髓,同时让研究人员能够探索大型参数空间13-15。虽然不总是表征整个系统,多是通过这些平台,隔离机车系统的单个组分了解到。例如,不稳定推进器的基本功能的,比如背部和往复扫carangiform游泳时的尾鳍,已通过激烈投球和/或起伏板12,16,17,18的实验研究探讨。在这种情况下,我们可以隔离的方式,基于动物研究不能这种复杂的运动的某些模式。推进的那些基本方面然后可以在不需要生物复杂性进化提供车辆的设计中使用。

<p class=“jove_content”>在本文中,我们提出了一个新的平台,为探索海狮推力生产中风的“拍手”阶段。仅单个foreflipper-的'roboflipper'-被包括在该平台。其几何形状是由加州海狮(Zalophus californianus)标本的生物扫描准确的。该roboflipper被致动以复制从以前的研究1衍生的动物的运动。这个机器人脚蹼将用于调查游泳海狮的水动力性能,并探索比动物研究中,尤其是那些大的水生哺乳动物更宽参数空间,可以产生。

Protocol

1.数字化海狮Foreflipper的标本扫描海狮foreflipper的标本。 获取海狮的鳍状肢的从死者的个人( 图1a)的标本。 注:在我们的例子中,他们从史密森动物园在华盛顿特区,获得从基(其中foreflipper重视动物的身体)垂直悬挂的foreflipper。这既可以在扫描时导板是直的,并公开在整个表面进行扫描。 扫描导板用高分辨率结构光扫描仪,具有约0.5mm的精确度,以及大?…

Representative Results

上述过程产生了加州海狮foreflipper的机器人模型。该模型可以用两种不同的方式使用。一个是由仅在根目录( 图 6a)致动导板。在这种情况下,驱动马达设置第一关节的旋转速度,但所得到的挡板的运动由弹性导板和周围的水之间的流体 – 结构交互来确定。此外,我们可以创建在两个下接头除了根( 图 6b)致动机器人脚?…

Discussion

机器人脚蹼设备将使我们能够理解游泳加州海狮的流体力学。这包括基本推力产生行程(即'霹'),以及动物研究不能调查非物理变化。机器人起落已被设计为实验的多功能性,从而,步骤3,其中本身挡板制成-是在获得所期望的结果是至关重要的。尽管这种装置是,很显然,仅有活系统的模型, 加州海狮的原位研究是极其困难的和可能的数据的范围是相当有限的。

<p clas…

Disclosures

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

References

  1. Feldkamp, S. D. Swimming in the California sea lion: Morphometrics, drag and energetics. Journal of Experimental Biology. 131, 117-135 (1987).
  2. Godfrey, S. J. Additional observations of subaqueous locomotion in the California sea lion (zalophus californianus). Aquatic Mammals. 11 (2), 53-57 (1985).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Friedman, C., Leftwich, M. C. The kinematics of the California sea lion foreflipper during forward swimming. Bioinspiration and Biomimetics. 9 (4), (2014).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Holmes, P., Koditschek, D., Guckenheimer, J. The dynamics of legged locomotion: models, analyses, and challenges. Dynamics. 48 (2), 207-304 (2006).
  9. Mazouchova, N., Umbanhowar, P. B., Goldman, D. I. Flipper-driven terrestrial locomotion of a sea turtle-inspired robot. Bioinspiration & Biomimetics. 8 (2), 026007 (2013).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Leftwich, M. C., Smits, A. J. Thrust production by a mechanical swimming lamprey. Experiments in fluids. 50 (5), 1349-1355 (2011).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Quinn, D. B., Lauder, G. V., Smits, A. J. Flexible propulsors in ground effect. Bioinspiration & biomimetics. 9 (3), 036008 (2014).
  19. English, A. W. Functional anatomy of the hands of fur seals and sea lions. American Journal of Anatomy. 147 (1), 1-17 (1976).
  20. . PRONET-E Quick Start Guide Available from: https://www.anaheimautomation.com/manuals/servo/L011035%20-%20ProNet%20Quick%20Start%20Guide.pdf (2014)
  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).

Play Video

Cite This Article
Kulkarni, A. A., Patel, R. K., Friedman, C., Leftwich, M. C. A Robotic Platform to Study the Foreflipper of the California Sea Lion. J. Vis. Exp. (119), e54909, doi:10.3791/54909 (2017).

View Video