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Engineering

एक रोबोट मंच कैलिफोर्निया समुद्र शेर की Foreflipper अध्ययन करने के लिए

Published: January 10, 2017 doi: 10.3791/54909
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1Department of Mechanical and Aerospace Engineering, The George Washington University

Summary

एक रोबोट मंच में वर्णित है कि hydrodynamic प्रदर्शन बलों और तैराकी कैलिफोर्निया समुद्र शेर-का flowfields अध्ययन करने के लिए इस्तेमाल किया जाएगा। रोबोट जानवर के foreflipper का एक मॉडल है कि मोटर्स द्वारा actuated है उसके आगे बढ़नेवाला स्ट्रोक ( 'ताली') के प्रस्ताव को दोहराने के लिए है।

Abstract

कैलिफोर्निया समुद्र शेर (Zalophus californianus), एक चुस्त और शक्तिशाली तैराक है। कई सफल तैराक (डॉल्फिन, ट्यूना) के विपरीत, वे उनके बड़े foreflippers के साथ उनके जोर का सबसे उत्पन्न करते हैं। इस प्रोटोकॉल तैराकी कैलिफोर्निया समुद्र शेर (Zalophus californianus) की hydrodynamic प्रदर्शन का अध्ययन करने के लिए बनाया गया एक रोबोट मंच का वर्णन है। रोबोट जानवर के foreflipper का एक मॉडल है कि मोटर्स द्वारा actuated है उसके आगे बढ़नेवाला स्ट्रोक ( 'ताली') के प्रस्ताव को दोहराने के लिए है। समुद्र शेर के आगे बढ़नेवाला स्ट्रोक का कीनेमेटीक्स स्मिथसोनियन प्राणी उद्यान (SNZ) पर अगोचर, गैर अनुसंधान समुद्र शेर का वीडियो डेटा से निकाले जाते हैं। उन डेटा यहाँ प्रस्तुत रोबोट पट्टिका का प्रवर्तन गति के आधार फार्म। रोबोट पट्टिका की ज्यामिति एक वयस्क महिला समुद्र शेर की एक foreflipper, पूर्ण पैमाने पर पट्टिका के बारे में 60% करने के लिए बढ़ाया का एक उच्च संकल्प पर लेजर स्कैन आधारित है। व्यक्त मॉडल तीन J हैoints, कोहनी, कलाई और अंगुली समुद्र शेर foreflipper के संयुक्त नकल उतार। जब बाकी हिस्सों से त्वरक रोबोट मंच गतिशीलता गुण-रेनॉल्ड्स संख्या और टिप पशु गति से मेल खाता है। रोबोट पट्टिका प्रदर्शन (बलों और torques) और जिसके परिणामस्वरूप flowfields निर्धारित करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है।

Introduction

वैज्ञानिकों ने समुद्र शेर तैराकी (ऊर्जा, परिवहन की लागत, खींचें गुणांक, रेखीय गति और त्वरण 1-3 की बुनियादी विशेषताओं की जांच की है, वहीं हम इस प्रणाली का द्रव गतिशीलता के बारे में जानकारी की कमी है। इस ज्ञान के बिना, हम संभावित उच्च गति की सीमा , शरीर-दुम फिन (बीसीएफ) हरकत मॉडल 4 के लिए उच्च गतिशीलता इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों। एक अलग तैराकी प्रतिमान निस्र्पक करके, हम डिजाइन उपकरणों की हमारी सूची, विशेष रूप से क्षमता के साथ उन शांत, तैराकी के stealthier रूपों सक्षम करने के लिए विस्तार की उम्मीद है। इस प्रकार , हम 5,6 foreflipper एक रोबोट समुद्र शेर का उपयोग करते हुए कैलिफोर्निया समुद्र शेर और प्रयोगशाला जांच के प्रत्यक्ष अवलोकन के माध्यम से समुद्र शेर तैराकी के मौलिक तंत्र का अध्ययन।

एक रोबोट मंच 7: ऐसा करने के लिए, हम जटिल जैविक प्रणालियों की खोज के लिए एक सामान्य तकनीक का इस्तेमाल रोजगार देगा। कई अध्ययनों से हरकत-बॉट8,9 चल रहा है और 10 -have तैराकी की ज जानवरों की या तो जटिल 11 या अत्यधिक सरलीकृत 12 यांत्रिक मॉडल के आधार पर किया गया है। आमतौर पर, रोबोट प्लेटफार्मों जबकि शोधकर्ताओं बड़े पैरामीटर रिक्त स्थान 13-15 पता लगाने के लिए अनुमति देता है, मॉडल प्रणाली का सार बरकरार रहती है। जबकि नहीं हमेशा पूरी प्रणाली निस्र्पक, ज्यादा इन प्लेटफार्मों कि एक लोकोमोटिव प्रणाली का एक घटक को अलग माध्यम से सीखा है। उदाहरण के लिए, अस्थिर प्रणोदक के मौलिक कामकाज, पीछे और आगे carangiform तैराकी के दौरान एक दुम फिन की व्यापक तरह, तीव्रता से पिचिंग और / या heaving पैनलों 12,16,17,18 की प्रायोगिक जांच के माध्यम से पता लगाया गया है। इस मामले में, हम तरीके है कि पशु आधारित अध्ययन नहीं कर सकते में इस जटिल गति के कुछ तरीके अलग कर सकते हैं। प्रणोदन के उन बुनियादी पहलुओं तो वाहनों जो जैविक जटिलता विकास प्रदान करता है की जरूरत नहीं है के डिजाइन में इस्तेमाल किया जा सकता है।

(Zalophus californianus) नमूना के जैविक स्कैन से बिल्कुल ली गई है। Roboflipper 'जानवरों पिछले अध्ययनों 1 से प्राप्त की गति को दोहराने के लिए प्रेरित किया जाता है। यह रोबोट पट्टिका तैराकी समुद्र शेर की hydrodynamic प्रदर्शन की जांच करने के लिए और जानवरों के अध्ययन, बड़े जलीय स्तनपायी की विशेष रूप से उन लोगों की तुलना में एक व्यापक पैरामीटर अंतरिक्ष का पता लगाने के लिए, उपज कर सकते हैं इस्तेमाल किया जाएगा।

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Protocol

1. एक समुद्र शेर Foreflipper का एक नमूना Digitize

  1. एक समुद्र शेर foreflipper का एक नमूना स्कैन करें।
    1. एक मृतक व्यक्ति (चित्रा 1 ए) से एक समुद्र शेर पट्टिका का एक नमूना प्राप्त करते हैं।
      नोट: हमारे मामले में, वे वाशिंगटन, डीसी में स्मिथसोनियन प्राणी उद्यान से प्राप्त किया गया
    2. इसके आधार (जहां foreflipper जानवर के शरीर के लिए देता है) से खड़ी foreflipper रुको। यह दोनों जब स्कैन पट्टिका सीधे होने की अनुमति देता है, और स्कैनिंग के लिए पूरी सतह को उजागर करता है।
    3. स्कैन पट्टिका एक उच्च संकल्प प्रकाश स्कैनर संरचित, लगभग 0.5 मिमी की शुद्धता के साथ उपयोग कर, और लगभग 0.1 मिमी की त्रुटि (चित्रा 1 बी)।
  2. सीएडी सॉफ्टवेयर में बिंदु बादल आयात और एक सतह के रूप में इसे प्रस्तुत करना। ऐसा करने के लिए 'ओपन' पर क्लिक करें और वांछित .obj फ़ाइल का चयन करें। 'आयात' पर क्लिक करें सीएडी सॉफ्टवेयर में फ़ाइल आयात करने के लिए।
  3. का उपयोग करते हुए, जिसके परिणामस्वरूप बिंदु बादल हेरफेरएक कंप्यूटर एडेड डिजाइन (सीएडी) पर 'Extruded कट' पर क्लिक करें और स्कैन का मांस हिस्सा (अवांछित हिस्सा) बाहर काटने से सॉफ्टवेयर। अगले, रोबोट पट्टिका (पूर्ण आकार के 68%) के लिए उपयुक्त स्केलिंग प्राप्त करने के लिए 'पैमाने' पर क्लिक करें। मूल नमूना (चित्रा 2) की तुलना द्वारा पर्याप्त विस्तार को पकड़ने के लिए पट्टिका का निरीक्षण किया।
  4. पट्टिका के आसपास ढालना बनाएँ।
    1. एक सीएडी सॉफ्टवेयर में, पट्टिका की सतह के आसपास एक आस मात्रा बनाने के द्वारा एक फफूंदी के लिए फार्म पट्टिका सतहों का उपयोग करें। एक आयत आकर्षित करने के लिए 'स्केच' पर क्लिक करके एक आयताकार ब्लॉक extruding और तो और अधिक से पट्टिका की ऊंचाई पूरी तरह से यह धरना को यह extruding द्वारा इस करो।
    2. 'विधानसभा' पर क्लिक करें और कार्य क्षेत्र में दोनों भागों (पट्टिका और आयताकार ब्लॉक) आयात करते हैं। 'मेट' पर क्लिक करें और दोनों पट्टिका और संयोग के रूप में ढालना के सामने और शीर्ष विमान हैं। यह स्वचालित रूप से मोल्ड के अंदर पट्टिका देता है।
    3. Seleडिजाइन पेड़ से ढालना और सीटी क्लिक करें 'भाग संपादित करें'। एक बार हिस्सा चयन किया जाता है, मिट्टी के अंदर पट्टिका का एक गुहा बनाने के लिए पर 'सम्मिलित करें> फीचर्स> गुहा' पर क्लिक करें। आयताकार मोल्ड के केंद्र में एक लाइन स्केच और एक ही सांचे के दो भागों के लिए फार्म 'विभाजित' पर क्लिक करें।
    4. पर 'कट भाग' पर क्लिक करें आसान पट्टिका निकासी के लिए दो भागों में आसपास की मात्रा अलग करने के लिए। मात्रा के प्रत्येक आधे पर cavities और खूंटे डालें और भाग एक और पट्टिका मोल्ड के दो (चित्रा 3) के रूप में इसे बचाने के लिए।
    5. '.STL' के लिए मोल्ड के '.SLDRPT' फ़ाइलों को परिवर्तित। 3 डी प्रिंटर का मालिकाना सॉफ्टवेयर के लिए इन फ़ाइलों को आयात और 3 डी मुद्रित ढालना उत्पन्न करने के लिए 'प्रिंट' पर क्लिक करें।

2. अस्थि संरचना डिजाइन

  1. एक सीएडी सॉफ्टवेयर में डिजिटल foreflipper खोलें और संदर्भ के लिए हड्डियों के ढांचे foreflipper समुद्र शेर की एक छवि प्राप्त (जैसे आकृतिअंग्रेजी में 1, 1977 19)।
  2. तीन अलग-अलग टुकड़ों है कि अस्थि संरचना है कि foreflipper के डिजिटल मॉडल के अंदर फिट होगा नकल डिजाइन। इस प्रक्रिया के दौरान 'आधार' foreflipper और 'टिप' के आधार पर करीब एक भाग के अंत करने के लिए संदर्भित हिस्सा foreflipper की नोक के करीब के अंत को दर्शाता है।
    1. बेस टुकड़ा
      1. इस टुकड़े की लंबाई कंधे संयुक्त और समुद्र शेर पट्टिका की कलाई के बीच की दूरी के लिए आनुपातिक बनाओ (माप टेप को मापने का उपयोग कर प्राप्त कर रहे हैं)। 'स्केच' पर क्लिक करके और (चित्रा 4) आधार टुकड़ा के आकार डिजाइन द्वारा एक सीएडी सॉफ्टवेयर का उपयोग कर यह मत करो।
      2. 'स्केच' पर क्लिक करके और दो हलकों ड्राइंग द्वारा भाग के दोनों सिरों पर पोर जोड़ें। पर 'बॉस हटा' पर क्लिक करें आधार टुकड़ा के विमान से इच्छित लंबाई बाहर निकालना। क्लिक 'कट हटा' बनाने के द्वारा छोटे वृत्त बाहर निकालना में कटौती करने का स्केच पर क्लिक करेंशाफ्ट के लिए कक्ष। इस संयुक्त मजबूत करने के लिए, तेज जोड़ों को सुगम करने के लिए 'पट्टिका' पर क्लिक करें।
        नोट: हलकों के आयामों शाफ्ट के आकार पर निर्भर पानी नालिका के शीर्ष पर पट्टिका बढ़ते दौरान इस्तेमाल किया जाएगा। हमारे मामले में, छोटे वृत्त का व्यास 0.5 इंच है और बड़ा वृत्त 1 इंच है। आधार अंत पट्टिका त्वचा ज्यामिति के बाहर बैठे हो जाएगा, तो पोर के आकार त्वचा की कमी के तहत नहीं आता है।
    2. मध्य टुकड़ा
      1. इस टुकड़े की लंबाई कलाई संयुक्त और एक समुद्र शेर की अंगुली संयुक्त के बीच की दूरी के लिए आनुपातिक बनाओ। 'स्केच' पर क्लिक करके और एक हवाई जहाज़ पर वांछित आकार स्केच (के रूप में चित्रा 4 बी में दिखाया गया है) से यह मत करो। एक बार ज्यामिति बनाया गया है, मध्य टुकड़ा के बुनियादी तीन आयामी आकार पाने के लिए 'हटा' पर क्लिक करें। इनपुट 0.1650 इंच के रूप में extruded लंबाई।
        नोट: मध्य टुकड़ा के वांछित आकारहमारे प्रयोग में 2.25 इंच की ऊंचाई और 1.625 और 0.850 इंच क्रमशः के रूप में दो ठिकानों की लंबाई के साथ एक trapezoid है।
      2. दोनों सिरों पर पोर जोड़ें। कदम 2.2.1.2 में वर्णित के रूप में यह मत करो। extruded कटौती का व्यास 0.125 इंच है। एक काज कलाई संयुक्त प्रतिनिधित्व करने के लिए फार्म एक एक्सल के साथ आधार टुकड़ा की नोक अंत करने के लिए अंत आधार पर पोर कनेक्ट करें।
        नोट: पोर foreflipper की मात्रा के अंदर फिट है, तो उसी के अनुसार डिजाइन की जरूरत है।
      3. दोनों पक्षों पर टुकड़े की नोक अंत के लिए एक टावर की ऊंचाई में लगभग 1 सेमी जोड़ें।
        1. एक टावर को जोड़ने के लिए, 'स्केच' पर क्लिक करें और मॉडल के आधार पर एक आयत स्केच। स्केच के चयन और पर 'बॉस हटा' पर क्लिक करके स्केच बाहर निकालना। इस विशेष मामले में टावर की मोटाई 0.165 इंच है।
        2. 'पट्टिका' पर क्लिक करें और मॉडल और extruded टावर के एक किनारे का चयन करें। इस तेज संयुक्त मजबूत जहां टावर और बीएबीच टुकड़ा के एसई जुड़े हुए हैं। यदि टावर त्वचा की ज्यामिति से protrudes यह ठीक है। टावर काफी मोटी एक पट्टिका ताली के दौरान उत्पन्न ताकतों का सामना करने के लिए होना चाहिए। संदर्भ के लिए चित्रा 4 देखें।
    3. टिप टुकड़ा
      1. इस टुकड़े की लंबाई अंगुली संयुक्त और एक समुद्र शेर की सबसे लंबी उंगली की हड्डी की नोक के बीच की दूरी के लिए आनुपातिक बनाओ। 'स्केच' पर क्लिक करके और एक हवाई जहाज़ पर एक वांछित आकार स्केच से यह मत करो। एक बार ज्यामिति बनाया गया है, टिप टुकड़ा के बुनियादी तीन आयामी आकार पाने के लिए बाहर निकालना पर क्लिक करें।
      2. दोनों सिरों पर पोर जोड़ें। कदम 2.2.1.2 में वर्णित के रूप में यह मत करो। extruded कटौती का व्यास धुरा, जो इस प्रयोग में 0.125 इंच है के व्यास के बराबर होना चाहिए। आधार अंत पर पोर एक धुरा के साथ बीच टुकड़ा की नोक अंत करने के लिए जोड़ा जाएगा एक काज अंगुली संयुक्त प्रतिनिधित्व करने के रूप में। इन Knu की ज्यामितिckles foreflipper त्वचा की ज्यामिति के अंदर फिट करने के लिए है, तो उसी के अनुसार डिजाइन की जरूरत है।
      3. दोनों पक्षों पर टुकड़े के आधार अंत के लिए एक टावर की ऊंचाई में लगभग 1 सेमी जोड़ें। क्या इस कदम 2.2.2.3 में वर्णित है। इस विशेष मामले में टावर की मोटाई 0.165 इंच है। यदि टावर त्वचा की ज्यामिति से protrudes यह ठीक है। टावर काफी मोटी एक पट्टिका ताली के दौरान उत्पन्न ताकतों का सामना करने के लिए होना चाहिए। संदर्भ के लिए चित्रा 5 देखें।

3. एक पट्टिका बनाना

  1. 3 डी पट्टिका के कंकाल (आधार, मध्य और टिप टुकड़े) प्रिंट। '.STL' के लिए सीएडी से '.SLDRPT' फ़ाइल कन्वर्ट और प्रिंटर के मालिकाना सॉफ्टवेयर में आयात और क्लिक करें 'प्रिंट'।
    ध्यान दें: मुद्रण निर्देश प्रत्येक प्रिंटर के लिए अलग हैं।
    1. एक चिपकने वाला (epoxy) और कार्बन धागे के साथ मध्यम और टिप टुकड़ा के पोर को सुदृढ़। ऐसा करने के लिए, कार्बोहाइड्रेट में कटौतीलंबाई 0.750 इंच के धागे पर। 3 डी मुद्रित हड्डी संरचनाओं के लिए चिपकने वाला लागू करें और पोर पर धागे लेट गई। यह आधार टुकड़ा (चित्रा 5 ए) पर बड़े पोर सुदृढ़ करने के लिए आवश्यक नहीं है।
    2. प्रत्येक के तल पर छेद ड्रिल केवलर स्ट्रिंग (तार कि जोड़ों उकसाना करने के लिए इस्तेमाल किया जाएगा) के व्यास टॉवर।
    3. एक्सेल का उपयोग कर टिप करने के लिए बेस से एक साथ सभी हड्डी के टुकड़े इकट्ठा करो। के रूप में 4 चित्र में दिखाया गया है एक फ्लैट की मेज पर सभी घटकों को रखकर यह मत करो। आधार और मध्य टुकड़ा कनेक्ट करने के लिए, भागों के पोर पंक्ति में है और धुरा डालें। एक साथ मध्यम और टिप टुकड़ा कनेक्ट करने के लिए एक ही तकनीक का प्रयोग करें। धुरा सुनिश्चित करने के लिए laterally (चित्रा 5 ब) कदम नहीं करता है प्रत्येक धुरा के प्रत्येक छोर पर एक चिपकने का प्रयोग करें।
    4. निम्नलिखित लंबाई करने के लिए प्लास्टिक की ट्यूब कट। चार ट्यूबों आधार हड्डी टुकड़ा (एल 1 = 8 सेमी) और दो नलियों बीच टुकड़ा (एल 2 = 6 सेमी) की लंबाई की लंबाई में कटौती।
    5. कीव के 4 टुकड़े काटLAR स्ट्रिंग, लंबाई में प्रत्येक 3 फुट।
    6. एक एल 1 ट्यूब और फिर एक एल 2 ट्यूब के माध्यम से एक स्ट्रिंग स्लाइड। एक एल 1 ट्यूब के माध्यम से एक और स्ट्रिंग स्लाइड। शेष ट्यूब और तार के साथ इस प्रक्रिया को दोहराएं।
    7. हड्डी संरचनाओं के शीर्ष पर ट्यूबों की जगह और एक स्पष्ट टेप का उपयोग अस्थायी रूप से स्थिति में उन्हें पकड़। एक चिपकने का उपयोग, हड्डियों के ढांचे पर नलियों चिपके रहते हैं और उसके बाद टेप को हटा दें।
      नोट: जिसमें नलियों रखा जाना है कोई विशेष स्थिति नहीं है, महत्वपूर्ण पहलू सिर्फ संरचना की सतह पर उन्हें छड़ी है। एक दिशानिर्देश के रूप में चित्रा 5C का प्रयोग करें।
    8. छेद टिप और मध्य टुकड़े पर drilled के माध्यम से एल 1 ट्यूब और एल 2 ट्यूब से केवलर स्ट्रिंग धागा कदम 3.1.2 में वर्णित है। एक छोटी लेकिन सुरक्षित गाँठ बनाने के लिए एक बार स्ट्रिंग छेद (चित्रा 5 डी) के माध्यम से है।
  2. पट्टिका की त्वचा को जोड़ने के लिए एक अंतिम पट्टिका बनाने के लिए।
    1. उपाय Silic की 200 मिलीलीटरपर और दो अलग अलग कंटेनर में सिलिकॉन माध्यम।
    2. दोनों एक स्टील की कटोरी में इन तरल पदार्थ डालो। आसान डालने के लिये और मिश्रण के लिए रंग पतले (कुल मिश्रण के वजन के 10% से अधिक नहीं) मिश्रण में जोड़ें।
    3. 4 मिनट - 3 के लिए अच्छी तरह से मिश्रण मिश्रण करने के लिए एक स्टैंड मिक्सर का प्रयोग करें। रंग इस कदम वांछित दृश्य प्रभावों को प्राप्त करने के लिए कम से जोड़ा जा सकता है। एक स्टैंड मिक्सर उपलब्ध नहीं है, तो यह मिश्रण करने के लिए एक whisk का उपयोग, देखभाल करने के पक्ष और कंटेनर के नीचे परिमार्जन करने के लिए।
    4. आधार भाग के पोर में एक छड़ी डालें और पट्टिका मोल्ड के पोर के साथ संरेखित करें। खूंटे ढालना की गुहाओं में फिट है, हड्डियों के ढांचे पट्टिका सांचे में पूरी तरह से गठबंधन किया है। जबकि मोल्ड के दो भागों पर नीचे पकड़े, (यह कदम महत्वपूर्ण है, इसलिए है कि सिलिकॉन मिश्रण को दो भागों के बीच के अंतर से लीक नहीं करता है) जोड़ा संपीड़न के लिए एक क्लैंप का उपयोग करके भागों सुरक्षित।
    5. एक बार जब मिश्रण मिलाया जाता है, ध्यान से सर्वोच्च पोर तक सांचे में डाल देनाहड्डियों के ढांचे की। सांचे में नीचे छेद से तरल के बह मिश्रण का एक संकेत समान रूप से वितरित हो रही है। इस की शुरुआत में, तरल के प्रवाह आगे से बचने के लिए छेद प्लग। तरल मोल्ड से पट्टिका रोबोट को हटाने से पहले चार घंटे के लिए इलाज के लिए छोड़ दो (चित्रा 6 देखें)।

4. बढ़ते

  1. पानी नालिका (चित्रा 7) पर सिलिकॉन foreflipper माउंट करने के लिए, एक बढ़ते संरचना बनाएँ। समाप्त विधानसभा के एक सीएडी प्रतिनिधित्व दिखाया गया है। (8 चित्रा)।
    1. एक सावधानी से extruded कटौती सीएडी सॉफ्टवेयर का उपयोग कर के साथ एक प्लेट डिजाइन। 'स्केच' पर क्लिक करें और आयाम की एक आयत 14 x 19 इंच (के रूप में लेजर कटर एक .dwg फ़ाइल का उपयोग करता ऊंचाई बात नहीं है) आकर्षित। आधार के रूप में इस्पात की एक आयताकार शीट का उपयोग इस प्लेट का निर्माण करने के लिए। एक कंप्यूटर एक स्टील लेजर कटर वांछित कटौती को प्राप्त करने के लिए संलग्न पर सीएडी सॉफ्टवेयर से एक दो आयामी चित्र अपलोड करें।
      नोट: Thiएस प्लेट घरों मोटर और कटौती चरखी प्रणाली काम करने के लिए यह अनुमति देता है। प्लेट की चौड़ाई इस प्रकार यह आसान नालिका से अधिक प्लेट स्लाइड करने के लिए कर रही है पानी नालिका की चौड़ाई के बराबर होता है। प्लेसमेंट के इस प्रकार के कुछ हिस्सों या foreflipper मॉडल को बदलने के लिए बढ़ते विधानसभा की आसान हटाने में मदद करता है।
    2. foreflipper और एक शाफ्ट पर चरखी, जो एक त्रिकोणीय पुलिंदा में स्लाइड को ठीक करें।
      नोट: एक तीन चरखी प्रणाली रॉड मोटर से टोक़ / सत्ता हस्तांतरण के लिए लागू किया जाता है।
    3. दोनों तरफ बेयरिंग का उपयोग रॉड सुचारू रूप से बारी बारी से करने में मदद करने के लिए। पार्श्व दिशा में छड़ी के आंदोलन को प्रतिबंधित करने के लिए, शाफ्ट के प्रत्येक के अंत पर शाफ्ट कॉलर जगह है।
  2. ड्राइवर पर जॉगिंग समारोह का चयन करके पट्टिका की गति सेट करें। 'अप' बटन दबाने पट्टिका दक्षिणावर्त घूमता है और 'नीचे' बटन पट्टिका वामावर्त घूमता है। चालक को बदलने के लिए प्रति मोटर के मिनट क्रांतियों की अनुमति देता हैशाफ्ट मैनुअल 20 में दिए गए निर्देशों के अनुसार।
  3. पानी में समकोण डाई पोर्ट डालें और डाई सिस्टम पर दबाव बढ़ाने के लिए। इसलिए डाई एक भी चिकनी रेशा के रूप में प्रकट होता है पानी की freestream वेग को डाई की गति समायोजित करें। पट्टिका घुमाएँ तो यह है कि डाई सूचना का आदान प्रदान और उत्पन्न जिसके परिणामस्वरूप भेंवर के साथ फँस जाता है।

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Representative Results

ऊपर वर्णित प्रक्रिया एक कैलिफोर्निया समुद्र शेर foreflipper के एक रोबोट मॉडल अर्जित करता है। मॉडल दो अलग अलग तरीकों से किया जा सकता है। एक ही रूट (चित्रा 6A) पर पट्टिका actuating के द्वारा होता है। इस मामले में, ड्राइविंग मोटर पहली संयुक्त की बारी-बारी से दर तय करता है, लेकिन पट्टिका के परिणामस्वरूप गति लचीला पट्टिका और आसपास के पानी के बीच तरल पदार्थ की संरचना बातचीत के द्वारा निर्धारित किया जाता है। इसके अतिरिक्त, हम रोबोट फ्लिपर्स कि रूट (चित्रा 6B) के अलावा दो कम जोड़ों में प्रेरित कर रहे हैं बना सकते हैं। इस कंकाल टुकड़े पर मुद्रित टॉवर संरचनाओं के माध्यम से किया जाता है। टावरों से जुड़े तारों की मोटरों को अलग करने के लिए सक्रिय रूप से जुड़े रहे हैं और ताली बजाने प्रस्ताव के दौरान पट्टिका की वक्रता नियंत्रित कर सकते हैं।

रोबोट पट्टिका का उद्देश्य ज नज़ारा किया जा सकेकैलिफोर्निया समुद्र शेर के आगे बढ़नेवाला स्ट्रोक का ydrodynamics फ्राइडमैन, 2014 1 में वर्णित है। एक तरीका यह करने के लिए, गुणात्मक, डाई आधारित प्रवाह दृश्य के माध्यम से है। रोबोट मछली का पंख एक recirculating पानी नालिका (चित्रा 7) के लिए मुहिम शुरू की है, विधानसभा ऊपर वर्णित का उपयोग कर। (पुन = घन / ν जहां ν पानी के गतिशील चिपचिपापन है) या कोणीय वेग, ω, या त्वरण, α मोटर और प्रवाह की गति, एक दिया पैरामीटर अंतरिक्ष में इस तरह के रेनॉल्ड्स संख्या के रूप में पट्टिका राग पर आधारित पता लगाने के लिए सेट कर रहे हैं ।

डाई 9 चित्रा में दिखाया गया दृश्य फ्लोरोसेंट रंजक पट्टिका के अग्रणी धार का सिर्फ नदी के ऊपर इंजेक्शन का उपयोग करता है। डाई पट्टिका की सतह पर कतरनी परत में entrained और हमें जगाने के भंवर संरचना कल्पना करने के लिए अनुमति देता है। चित्रा </ strong> 9 ए डाई की धारा (दाईं ओर) नदी के ऊपर इंजेक्शन जा रहा पट्टिका का पता चलता है। गड़बड़ी छवि के बाईं ओर देखा पिछले चक्र के परिणाम हैं। जैसा कि पट्टिका इंजेक्शन स्थान (चित्रा 9b) के माध्यम से ले जाया गया, पट्टिका की ऊपरी सतह पर कम दबाव डाई पट्टिका चारों ओर खींचा जा कारण बनता है। अंत में, (चित्रा 9c), पट्टिका के रूप में एक भंवर रूपों हवाई जहाज से बाहर पूरी तरह से चलता है। इस संरचना मतलब प्रवाह के साथ नीचे की ओर convects। ये परिणाम कैसे इस तकनीक गुणात्मक बढ़नेवाला स्ट्रोक के दौरान एक समुद्र शेर आसपास के flowfield निर्धारित करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता प्रदर्शित करता है।

पट्टिका मद्देनजर की गुणात्मक माप के अलावा, हम कण छवि velocimetry (PIV) का उपयोग पट्टिका आसपास के वेग क्षेत्र को मापने के लिए कर सकते हैं। इस प्रकार, हम hydrodynamic के बारे में गुणात्मक डेटा प्राप्त कर सकते हैंप्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य स्थितियों की एक किस्म के लिए समुद्र शेर तैराकी के एस।

आकृति 1
चित्रा 1: पट्टिका नीचे तुलना करें। एक महिला कैलिफोर्निया समुद्र शेर का एक नमूना से एक बाएं foreflipper रोबोट पट्टिका के ज्यामितीय मापदंडों का निर्धारण करने के लिए प्रयोग किया जाता है। शीर्ष पैनल (क) एक उच्च संकल्प, पट्टिका की दो आयामी छवि है। कम पैनल (ख) लेजर स्कैन से पट्टिका का एक तीन आयामी, कंप्यूटर एडेड डिजाइन प्रतिपादन है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र 2
चित्रा 2: तार। स्कैन की पट्टिका का डिजिटल छवि बनाए रखने केजानवर के foreflipper के ज्यामितीय सुविधाओं है। इस छवि को डिजिटल पट्टिका का एक तार-फ्रेम को देखने से पता चलता है। नौ समान स्थान पार वर्गों (foreflipper की टिप करने के आधार से हर सेंटीमीटर) ग्रे में दिखाया जाता है। दो isometric दृश्य (क्रॉस सेक्शन 1 और 7) पट्टिका एक airfoil के आकार की तरह है कि, एक मोटा, अग्रणी गोल किनारे के साथ दिखा। पट्टिका इसकी ऊपरी सतह अधिक उत्तल और इसकी भीतरी सतह अवतल साथ वक्र है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र तीन
चित्रा 3: मोल्ड। रोबोट पट्टिका का लचीला भाग बनाने के लिए इस्तेमाल ढालना स्कैन पट्टिका नमूना से बनाई गई है। एक ऊपरी (बैंगनी) और एक निचले खंड (हरा) है कि पुरुष और स्त्री के साथ गठबंधन कर रहे हैं: मोल्ड दो भागों में हैशराब पदों, क्रमशः। रोबोट कंकाल (चित्रा 4) मोल्ड के अंदर गठबंधन से पहले सिलिकॉन मिश्रण मोल्ड में डाल दिया जाता है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 4
चित्रा 4: कंकाल। लचीला रोबोट पट्टिका एक कंकाल तीन टुकड़ों में छपी द्वारा समर्थित है: आधार (क), मध्य (ख) और टिप (ग)। आधार और मध्य और मध्य और टिप, उनके जोड़ों में पोर के माध्यम से dowels से जुड़े हुए हैं। यह पूरा पट्टिका के उन स्थानों के बारे में लचीलेपन के लिए अनुमति देता है। इस figu का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करेंफिर से।

चित्रा 5
चित्रा 5: कंकाल विधानसभा। मुद्रण के बाद, कंकाल भागों, पोर कार्बन धागे के साथ प्रबलित रहे हैं (एक), वे के साथ axels (ख), मार्गदर्शन-ट्यूब आधार और मध्य टुकड़े (ग) और केवलर धागे से चिपका रहे हैं से जुड़े हैं पोर पर जुड़े हुए हैं टावरों (घ)। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 6
चित्रा 6: रोबोट पट्टिका। रोबोट मछली का पंख एक imbedded प्लास्टिक समर्थन संरचना (नीला) के साथ लचीला सिलिकॉन (सफेद) से बना है। आधार घूमता पर शाफ्ट, रोटा नकलकोहनी और जानवर के कंधे पर tion। रोबोट पट्टिका निष्क्रिय हो सकता है (एक) है, जहां यह केवल जड़ में actuated है और जिसके परिणामस्वरूप गति तरल पदार्थ की संरचना बातचीत के आधार पर किया जाता है, या सक्रिय (ख) जहां केवलर तारों को जोड़ने के लिए पोर वक्रता में आवश्यक परिवर्तन प्रदान करते हैं। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 7
चित्रा 7: Flume। प्रवाह प्रयोगों जार्ज वाशिंगटन विश्वविद्यालय में recirculating पानी नालिका में आयोजित की जाती हैं। नालिका 0.40 (गहराई) मीटर से 0.60 (चौड़ाई) का काम कर रहे एक खंड है, 10 मीटर लंबा है, और अप करने के लिए 1 एम / एस के प्रवाह वेग पर चला सकते हैं। प्रवाह के आंकड़े में, दाएँ से बाएँ से है। रोबोट पट्टिका विधानसभा figu में दिखाया गया है का उपयोग कर मुहिम शुरू की हैपरीक्षण खंड के शीर्ष पर फिर से रेल के लिए 8। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

आंकड़ा 8
8 चित्रा: विधानसभा। रोबोट मछली का पंख एक कस्टम बढ़ते के साथ एक recirculating नालिका करने के लिए मुहिम शुरू की है। बढ़ते एक servomotor कि रोबोट पट्टिका (रोबोट पट्टिका की जड़ में स्थित) एक बेल्ट और तीन पुली के माध्यम से की मुख्य धुरी से जुड़ा है रखती है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

9 चित्रा
9 चित्रा: विज़ुअलाइज़ेशन डाई। फ्लोरोसेंटडाई फड़फड़ा पट्टिका के ऊपर एक ट्यूब के माध्यम से इंजेक्ट किया जाता है। समय के तीन उदाहरणों से पता चला रहे हैं: (क) चक्र = 0 टी की शुरुआत, (ख) चक्र टी = 0.4, और (ग) के माध्यम से रास्ते के 40% चक्र टी = 0.8 के 80% के बाद। सही पैनल (ग) में, हम एक भंवर कि फड़फड़ा रोबोट पट्टिका की नोक के आसपास का गठन किया गया है देख सकते हैं। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

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Discussion

रोबोट पट्टिका तंत्र हमें तैराकी कैलिफोर्निया समुद्र शेर की hydrodynamics समझने के लिए अनुमति देगा। यह बुनियादी जोर उत्पादन स्ट्रोक ( 'ताली'), और साथ ही गैर-शारीरिक बदलाव है कि जानवरों के अध्ययन की जांच नहीं कर सकते हैं। रोबोट पट्टिका प्रयोगात्मक बहुमुखी प्रतिभा के लिए डिजाइन किया गया है, इस प्रकार, चरण 3-जहां पट्टिका में ही किया जाता है वांछित परिणाम प्राप्त करने में महत्वपूर्ण बना दिया है। इस तंत्र है, जाहिर है, बस रहने वाले सिस्टम का एक मॉडल, कैलिफोर्निया समुद्र शेर के सीटू पढ़ाई में बेहद मुश्किल हो जाता है और संभव डेटा की रेंज काफी सीमित है।

जबकि कभी कभी संभव हो, बड़े जलीय जानवरों पर वेग क्षेत्र मापन बहुत मुश्किल हो जाता है (उदाहरण के लिए अप्रशिक्षित जानवरों, गैर अनुसंधान ग्रेड देखने के गिलास, पर्यावरण पर कोई नियंत्रण नहीं है), और त्रुटियों प्रयोगशाला प्रयोगों 21 से अधिक है। इसके अलावा, वे जानवरों है कि करने के लिए उपयोग की आवश्यकताएक हम गहराई से जांच के लिए अनुमति देने में निर्मित की तरह अक्सर प्राप्त करने के लिए असंभव है और इस तरह के मामलों में रोबोट प्लेटफार्मों। के रूप में ईमानदारी से संभव के रूप में रहने वाले सिस्टम नकल के अलावा, रोबोट मॉडल हमें अवास्तविक मायनों में इसे संशोधित करने की अनुमति देते हैं। उदाहरण के लिए, मिट्टी अनुगामी किनारे आकृति विज्ञान को बदलने के लिए संशोधित किया जा सकता है। या, सतह की बनावट तैराकी के प्रदर्शन पर microstructure की भूमिका की जांच करने के लिए बदला जा सकता है।

एक रोबोट मंच का उपयोग एक जैविक प्रणाली के प्रदर्शन की जांच के लिए एक ही है कि एक आंशिक दृश्य देता प्रणाली इस इस दृष्टिकोण की एक सीमा है। इसके अलावा, इस विशेष प्रोटोकॉल समुद्र शेर शरीर के बाकी हिस्सों से अलग कर foreflipper। इस प्रकार, परिणाम प्रणाली और शरीर-पट्टिका बातचीत का एक पूरा दृश्य की पेशकश नहीं करेंगे। इसके अलावा सीमाओं पट्टिका और बिंदु बुद्धिमान प्रवर्तन के समरूप गुण (के रूप में musculoskelatal व्यवस्था की वितरित प्रवर्तन करने का विरोध शामिलtems)। इसके अतिरिक्त, कि सामग्री के अनुरूप है और द्रव-संरचना बातचीत है कि शारीरिक प्रणाली में मौजूद नहीं हैं करने के लिए नेतृत्व कर सकते हैं। यह सामग्री है कि निकट समग्र जैविक गुणों को दोहराने का उपयोग करके कम से कम है, लेकिन पूरी तरह से कभी नहीं के लिए नियंत्रित किया जा सकता है। इन सीमाओं के बावजूद, बहुत अलग सक्रियण मोड और प्रवाह की स्थिति के प्रदर्शन की तुलना से सीखा जा सकता है।

रोबोट मछली का पंख एक अमीर अनुसंधान परियोजना है कि कुशल स्विमिंग कैलिफोर्निया समुद्र शेर की एक अद्वितीय प्रतिमान के मौलिक भौतिकी में अंतर्दृष्टि प्रदान करेगा के आधार बनेगी। मंच लचीला है, और प्रत्येक पट्टिका न्यूनतम लागत के साथ जल्दी से बनाया जा सकता है। इस प्रकार, एक बड़े पैरामीटर अंतरिक्ष के रूप में नए अनुसंधान सवाल उठता परीक्षण किया जा सकता है।

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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

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References

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इंजीनियरिंग अंक 119 तैराकी समुद्र शेर biorobotics जलीय प्रणोदन समुद्री स्तनधारियों द्रव यांत्रिकी
एक रोबोट मंच कैलिफोर्निया समुद्र शेर की Foreflipper अध्ययन करने के लिए
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Kulkarni, A. A., Patel, R. K.,… More

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).

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