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机器人平台研究加州海狮的Foreflipper

1, 1, 1, 1

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

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    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。

    Date Published: 1/10/2017, Issue 119; doi: 10.3791/54909

    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).

    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。

    (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。

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    Protocol

    1.数字化海狮Foreflipper的标本

    1. 扫描海狮foreflipper的标本。
      1. 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
      2. 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。
      3. 扫描导板用高分辨率结构光扫描仪,具有约0.5mm的精确度,以及大约0.1mm的错误( 图1b)。
    2. 导入点云到CAD软件,并使其作为表面。要做到这一点,点击“打开”,然后选择所需obj文件。点击“导入”将文件导入到CAD软件。
    3. 使用操作生成点云计算机辅助设计(CAD)单击“剪切挤压”和裁剪扫描的肉部分(不需要的部分)的软件。接下来,点击“规模”获得了机器人的鳍状肢(全尺寸的68%),适当的缩放。通过比较试样原始( 图2)检查是否有足够的细节捕获脚蹼。
    4. 创建围绕挡板的模具。
      1. 在CAD软件中,使用导板表面,以形成通过创建围绕导板表面上的周围体积的模具。通过点击“草图”绘制一个矩形挤出矩形块,然后将其挤出超过挡板的高度,以完全包围它做到这一点。
      2. 点击“大会”和进口两部分(鳍和矩形块)进入工作区。点击“伴侣”和使导板和模具既作为重合的前部和顶部平面。这会自动将模具内的鳍状肢。
      3. 塞莱CT从设计树模,然后单击“编辑零件”。一旦零件被选定后,点击“插入>特征>腔',使模具内的鳍状肢的空腔。在矩形模具中心绘制一条线,然后点击“分割”成相同的模具两部分组成。
      4. 单击“剪切部分”周围的量分成两部分,方便鳍提取。将卷的各占一半龋齿和钉并将其保存为第一部分和两个鳍模具( 图3)。
      5. 转换模具“.STL'的'.SLDRPT”文件。这些文件导入到3D打印机的专用软件,然后点击“打印”来生成3D打印的模具。

    2.设计的骨骼结构

    1. 打开数字foreflipper在CAD软件并获得海狮foreflipper骨骼结构作为参考的图像(如 数字1在英国,1977年19)。
    2. 设计了三种不同的部分,模仿骨结构将适合的foreflipper的数字模型内。贯穿此过程,“碱”是指一个部分的末端更靠近foreflipper和“尖端”的基础是指部分更靠近foreflipper的尖端的端部。
      1. 底座块
        1. 让这片的长度成正比,肩关节和海狮的鳍状肢的腕间的距离(测量使用卷尺获得)。为此通过点击'素描'和设计的基片的形状( 图4)使用CAD软件。
        2. 通过点击“素描”和绘画两个圆形添加在部分的两端关节。点击'凸台拉伸'从基片的平面挤出所需的长度。通过单击“剪切挤压”,使点击小圆圈切入拉伸的草图空间轴。为了加强这个联合,点击“圆角”来平滑锐利关节。
          注意:圆的尺寸取决于轴的大小在安装导板的水槽的顶部期间使用。在我们的情况下,较小的圆的直径为0.5英寸,更大的圆为1英寸。基端会坐在挡板皮肤几何外面,所以指关节的大小不皮肤的约束下落。
      2. 中段
        1. 让这片的长度成正比,腕关节和海狮的万向接头之间的距离。通过点击“草图”和在一个平面上绘制所希望的形状( 如图4b中所示)执行此操作。一旦几何设计,点击“挤出”,以获得中间片的基本的三维形状。输入挤压长度0.1650英寸。
          注意:中间片的所希望的形状在我们的实验是为2.25英寸的高度和两个基地分别1.625和0.850英寸长度的梯形。
        2. 加入两端关节。如步骤2.2.1.2所述做到这一点。挤出的切割的直径为0.125英寸。连接的基端向基片与阿克塞尔的前端的关节,以形成表示该腕关节的铰链。
          注:关节需要适应foreflipper的体积内,所以相应的设计。
        3. 添加一个塔的高度大约1cm到片两侧的前端。
          1. 要添加一个塔,点击“素描”和模型的基础上绘制一个矩形。通过选择草图并单击“凸台拉伸”拉伸草图。在这个特殊的情况下,塔的厚度为0.165英寸。
          2. 点击“圆角”,并选择该模型和挤出的塔的一个边缘。这加强了尖锐的接合处的塔和巴中间一块本身相连。它是好的,如果塔从皮肤的几何形状突出。塔应该足够厚,以承受导板拍手期间产生的力。参见图4,以供参考。
      3. 提示件
        1. 让这片的长度成正比关节关节和海狮的最长的手指骨的尖端之间的距离。通过点击“素描”,并在一个平面上草绘所需形状做到这一点。一旦几何设计,点击拉伸得到的尖端件的基本的三维形状。
        2. 加入两端关节。如步骤2.2.1.2所述做到这一点。挤出的切口的直径应等于车轴,在该实验中为0.125英寸的直径。在基端指关节将被连接到中间片有一轴的前端,以形成表示该叉形接头的铰链。这些KNU的几何形状ckles需要以适合foreflipper皮肤的几何形状内,因此设计相应。
        3. 添加一个塔的高度大约1cm到片两侧的基端部。执行此步骤2.2.2.3所述。在这个特殊的情况下,塔的厚度为0.165英寸。它是好的,如果塔从皮肤的几何形状突出。塔应该足够厚,以承受导板拍手期间产生的力。参见图5,以供参考。

    3.创建一个翻转

    1. 3D打印的鳍状肢的骨架(基地,中部和尖端件)。从CAD转换“.SLDRPT'文件'.STL”,并将其导入到打印机的专用软件,然后点击“打印”。
      注:打印指令是为每个打印机不同。
      1. 加强中间和末梢段的关节用粘合剂(环氧树脂)和碳线程。要做到这一点,削减碳水化合物对长0.750英寸线程。胶粘剂应用到3D打印骨骼结构打下了指关节的线程。这是没有必要加强在基片( 图5a)的大关节。
      2. 在每个底部钻孔塔芳纶字符串(字符串,将用于致动关节)的直径。
      3. 从基本组装所有骨片共同使用车轴给小费。通过放置在平坦的表中的所有组件, 如图4所示做到这一点。连接的基极和中间片,对准零件的转向节并插入轴。使用相同的技术到中间和顶端件连接在一起。每个轮轴的每个端部使用粘合剂以确保车轴不移动横向( 图5b)。
      4. 切割塑料管,以下列长度。切四个管子的基骨片(L 1 = 8厘米),两个管的中间片(L 2 = 6厘米)的长度的长度。
      5. 切4片千电子伏拉尔串,每次3英尺长。
      6. 通过L 1管那么L 2管幻灯片一根弦。通过L 1管滑到另一个字符串。重复此过程,其余管和串。
      7. 放置在骨骼结构的顶部的管,并使用一透明胶带,以暂时保持它们在适当的位置。使用粘合剂,坚持管到骨骼结构,然后取出磁带。
        注意:没有在其中管具有被置于特定位置,关键方面是只要坚持他们的结构的表面上。使用图5c作为指导。
      8. 如在步骤3.1.2所述螺纹由L 1管和L 2管钻通到尖端和中间片孔中的芳纶串。做一个小而安全的结,一旦字符串是通过孔( 图5d)。
    2. 加入导板的皮肤以创建最终脚蹼。
      1. 测量200毫升的SILIC上,并在两个不同的容器中的硅介质。
      2. 既倒这些液体入钢碗。添加漆稀释剂(不超过总重量的混合物的10%),以该混合物为容易倾倒和混合。
      3. 使用一台搅拌机混合彻底为3混合 - 4分钟。颜色可以在这一步骤以获得所需的视觉效果添加。如果一台搅拌机不可用,用打蛋器混合,小心刮容器的侧面和底部。
      4. 插入杆插入基部的关节和与导板模具的指关节对齐。当栓装配到模具的空腔中,骨骼结构在导板模具完全对齐。同时按住上模具的两部分,通过使用夹具为增加压缩(该步骤是关键的,以使硅混合物不会从两部分之间的间隙泄漏)固定的部分。
      5. 一旦该混合物混合,小心地倒在模具直到最上面的指关节的骨结构。的从模具中的底部孔液体渗出是混合物的标志得到均匀分布的。在此开始时,孔堵塞,以避免液体的进一步流动。离开液体从模具中取出挡板机器人之前固化四小时(参见图6)。

    4.安装

    1. 为安装在水槽( 图7)的硅foreflipper,创建的安装结构。成品组装的CAD形式呈现。 ( 图8)。
      1. 设计一个板用CAD软件精心拉伸切除。点击“素描”,并绘制尺寸的矩形14×19英寸(如激光切割机采用了.dwg文件的高度并不重要)。使用钢材的矩形板为基数,以制造这种板。载连接到一个钢激光切割器以获得所需的削减的计算机上从CAD软件的二维绘图。
        注:氏盘子里的房子电机和它允许滑轮系统工作晋级。板的宽度是相等的水槽的宽度,从而使得更容易地将板在水槽滑动。这种类型的安置在方便拆卸安装组件的帮助,以取代部分或foreflipper模式。
      2. 修复foreflipper和滑轮到轴上,这滑入三角桁架。
        注:三个滑轮系统被实施为从电机到杆传送的扭矩/功率。
      3. 使用两侧轴承帮助杆转动平稳。限制杆的在左右方向的移动,放置轴环在轴的各端。
    2. 通过在驱动程序中选择点动功能设置的鳍状肢的运动。按“上”键鳍顺时针旋转和“向下”按钮旋转脚蹼逆时针。该驱动程序允许改变电动机每分钟转数根据在手册20的说明轴上。
    3. 插入在水中的直角染料端口和增加该染料体系上的压力。调整染料的速度到水的自由流速度,以便该染料显示为一个单一的平滑长丝。旋转挡板使染料相互作用并获取被困产生所得涡流。

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    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( 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( 6b)致动机器人脚蹼。这是通过印制在骨架件塔架结构完成。连接到塔导线连接分离电动机和拍手运动期间可以主动地控制挡板的外倾角。

    机器人的鳍状肢的目的是探索的H加州海狮的推进中风ydrodynamics在弗里德曼,2014年1描述。要做到这一点的一种方法,定性是通过染料流可视化。机器人脚蹼被安装到一个再循环水水槽( 7),使用上述的组件。电机和流速,设定为探索给定的参数的基础上挡板和弦空间-如雷诺数(Re = CU 其中,ν是水的动态粘度)或角速度,ω,或加速度,α

    9所示的染料可视化使用荧光染料注射刚刚导板的前缘的上游。染料是在导板的表面上的夹带到剪切层,使我们能够形象化的尾流的涡流结构。 图</ STRONG> 9a表示染料流注入上游(向右),挡板的。看到的图像的左侧的干扰是前一周期的结果。作为挡板通过注入位置( 9b)移动时,在导板的上表面低的压力使染料绕导板被拉出。最后,( 9C),涡流形式的鳍状肢完全移出飞机。这种结构convects与平均流量的下游。这些结果表明,该技术如何可以用来定性确定周围的推进冲程期间海狮的流场。

    除了导板之后的定性测量,我们可以使用粒子图像测速仪(PIV)来测量周围的导板速度场。因此,我们可以得到关于流体动力质量数据海狮游泳第针对各种再现的情形。

    图1
    图1: 翻转底部比较。从女性加州海狮的样本A左foreflipper用于确定机器人导板的几何参数。顶板(a)是挡板的高分辨率二维图像。下面板(b)是从激光扫描导板的一个三维的,计算机辅助设计绘制。 请点击此处查看该图的放大版本。

    图2
    图2:线材。扫描的脚蹼的数字图像保留S中的动物的foreflipper的几何特征。此图像显示数字鳍状肢的线框图。九均匀间隔的横截面示于灰色(每厘米从基部到foreflipper的尖端)。两个等轴测视图(横截面1和7)表明,该导板具有翼型形状,具有较厚,圆角前缘。挡板是弧形,以其上表面更凸出并在其内表面凹的。 请点击此处查看该图的放大版本。

    图3
    图3:模具。用于创建机器人导板的柔性部分的模具从扫描导板试样创建。模具有两部分:上部(紫色)和下部区段(绿色),它们与阳和FEM对准强麦岗位,分别为。前的硅混合物倒入模具中的机器人骨架( 4)的模具的内部对准。 请点击此处查看该图的放大版本。

    图4
    图4:骷髅。柔性机器人脚蹼由三块印刷的骨架支撑:底座(a)中 ,中间的(b)和尖端(C)。底座和中间,中间和末端,由定位销通过在它们的接头指关节连接。这允许已完成的鳍状肢的这些地点的灵活性。 请点击此处查看该figu的放大版本回覆。

    图5
    图5:骨架装配。印刷后,骨架部分,指关节与碳螺纹钢筋(a)中 ,它们在关节连接与车轴(b)所示,引导型管固定到基部和中间部分(c)和Kevlar线被连接到塔(D)。 请点击此处查看该图的放大版本。

    图6
    图6:机器人翻转。机器人脚蹼与一个内嵌的塑料支撑结构(蓝色)由柔性硅树脂(白色)的。在该基地使轴旋转,模拟罗塔在化动物的肘部和肩部。机器人起落可以是被动的(a)中 ,在那里它仅在根致动并且将所得运动是基于流体-结构交互的,或活性(b)在芳纶导线连接到关节提供外倾角进行必要的修改。 请点击此处查看该图的放大版本。

    图7
    图7:水槽。流动实验在乔治·华盛顿大学循环水槽进行。水槽具有由0.40(深度)米0.60(宽)一工作部,是长10米,并可以以高达1米/秒的流速运行。流是由右至左,在图中。机器人脚蹼使用中Figu所示的组件被安装在试验部分的顶部重新8到导轨。 请点击此处查看该图的放大版本。

    图8
    图8:装配。机器人脚蹼安装与自定义安装一个循环水槽。安装认为连接到通过皮带和三个滑轮所述机器人导板(位于机器人导板的根目录)的主轴线伺服马达。 请点击此处查看该图的放大版本。

    图9
    图9:染料可视化。荧染料通过管扑导板的上游注入。的时间三个实例示:(a)该周期t = 0时开始,(b)对经过周期T = 0.4,和(c)的方式的40%后的周期T = 0.8的80%。在右侧面板中(C),我们可以看到,已经围绕着扑机器人的鳍状肢的末端形成一个旋涡。 请点击此处查看该图的放大版本。

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    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。

    而有时可能的,在大水生动物速度场测量是非常困难的( 例如未经训练的动物,非研究级观看玻璃,对环境没有控制),且误差比实验室实验21更高。此外,它们需要访问是动物通常不可能获得,在这种情况下,机器人平台,如我们建立允许在深入调查的人。除了尽可能忠实地复制生活系统,机器人模型使我们能够修改不切实际的方式。例如,模具可以被修改,以改变后缘的形态。或者,所述表面纹理可以改变,调查显微组织对游泳性能方面的作用。

    使用机器人平台来调查生物系统的性能给出的仅一个局部视图系统,这是这种方法的一个限制。此外,该特定协议隔离海狮身体的其余部分的foreflipper。因此,结果将不提供该系统和被检体内导板相互作用的完整视图。进一步限制包括挡板和点明智致动的均匀的特性(相对于musculoskelatal SYS的分布式致动电信设备制造商)。此外,该材料是兼容的,并可能导致流体 - 结构 - 相互作用中不存在的物理系统。这是通过使用紧密复制的整体生物性质的材料最小化,但不能为被完全控制。尽管有这些限制,多少可以通过比较不同的激活模式和流动条件的性能而得知。

    机器人鳍将形成一个丰富的研究项目,将提供深入了解高效游泳加州海狮的独特范式的基础物理学的基础。该平台是柔性的,并且每个导板能够快速以最小的成本制成。因此,新的研究问题产生大的参数空间可以进行测试。

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    Disclosures

    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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