פלטפורמה רובוטית לחקר Foreflipper של אריה ים קליפורני

Summary

פלטפורמה רובוטית מתואר כי ישמש כדי לחקור את כוחות ביצועים הידרודינמית flowfields-של אריה ים קליפורני לשחות. הרובוט הוא מודל של foreflipper החיה אשר מופעל על ידי מנועים לשכפל את ההצעה של השבץ הנע שלה ( 'לטפוח').

Abstract

האריה הים קליפורניה (Zalophus californianus), הוא שחיין זריז וחזק. בניגוד לרבי שחיינים מוצלחים (דולפינים, טונה), שהם מייצרים ביותר של הדחף שלהם עם foreflippers הגדול שלהם. פרוטוקול זה מתאר פלטפורמה רובוטית נועד לחקור את הביצועים הידרודינמית של אריה ים קליפורני שחייה (Zalophus californianus). הרובוט הוא מודל של foreflipper החיה אשר מופעל על ידי מנועים לשכפל את ההצעה של השבץ הנע שלה ( 'לטפוח'). קינמטיקה של השבץ הנע של אריות הימים המחולצים נתוני וידאו של אריות ים לא מסומנים, לא מחקרי בפרק הזואולוגי סמיתסוניאן (SNZ). נתונים אלה מהווים את הבסיס של תנועת actuation של הסנפיר רובוטית שהוצג כאן. הגיאומטריה של הסנפיר רובוטית מבוססת סריקת ליזר על ברזולוציה גבוהה של foreflipper של ארית ים נקבה בוגרת, לשנותם כדי כ -60% של הסנפיר בקנה מידה מלאה. יש מודל ניסח שלושה joints, מחק את המרפק, שורש כף יד מפרק המשותף של foreflipper אריות ים. הפלטפורמה הרובוטית תואמת נכסי ריינולדס דינמיקה מספר טיפ מהיר של החיה כאשר מאיצים משאר. מנופף רובוטית יכול לשמש כדי לקבוע את הביצועים (כוחות מומנטים) ו flowfields שהתקבל.

Introduction

בעוד מדענים חקרו את המאפיינים הבסיסיים של השחייה אריה הים (אנרגטיקה, עלות התחבורה, מקדם הגרר, מהירות לינארית והאצה ^1-3, שחסר לנו מידע על דינמיקה של נוזלים של המערכת. ללא ידע זה, אנו מגבילים במהירות גבוהה פוטנציאל ^4, יישומי הנדסה גבוה תמרון למודלי תנועת גוף, זנב סנפיר (BCF). בכך שהיא ממכנת פרדיגמה שחיה שונה, אנו מקווים להרחיב לקטלוג שלנו של כלי עיצוב, במיוחד אלה עם הפוטנציאל לאפשר שקטות, צורות stealthier של שחייה. לכן , אנחנו לומדים את מנגנון היסוד של השחייה אריות ים באמצעות תצפית ישירה של אריה ים קליפורני וחקירות במעבדה באמצעות אריה הים רובוטית foreflipper ^5,6.

לשם כך, אנו נעסיק טכניקה נפוצה לחקר מערכות ביולוגיות מורכבות: פלטפורמה רובוטית ^7. תנועה מספר מחקרים-בוט שעות של הליכת ^8,9 ושחייה ¹⁰ -האם התבססו משני מורכבים ¹¹ או פשוטים מאוד ¹² מודלים המכאניים של חיות. בדרך כלל, פלטפורמות רובוטיות לשמר את המהות של מערכת המודל, ובמקביל לאפשר לחוקרים לחקור מקומות פרמטר גדולים ^13-15. אמנם לא תמיד המאפיין את המערכת כולה, הרבה נלמד באמצעות פלטפורמות אלה המבודדים מרכיב אחד של מערכת קטר. לדוגמה, את התפקוד הבסיסי של propulsors לא יציב, כמו גב ו-ושוב גורף של סנפיר הזנב במהלך השחייה carangiform, נחקר באינטנסיביות במהלך חקירות ניסיוני של התנדנדות ו / או לוחות עולה ויורד ^12,16,17,18. במקרה זה, אנחנו יכולים לבודד מצבים מסוימים של תנועה מורכבת זו בדרכי מחקרים המבוססים על בעלי חיים לא יכולים. היבטים בסיסיים אלה של נעים לאחר מכן ניתן להשתמש בעיצוב של כלי רכב אשר לא צריך את האבולוציה המורכבת הביולוגית מספקת.

"Jove_content"> במאמר זה, אנו מציגים פלטפורמה חדשנית לחקור את שלב 'לטפוח' של ארי הים דחף לייצור שבץ. רק אחת foreflipper-ה 'roboflipper'-כלולה במצע. הגיאומטריה שלה נגזרה בדיוק מסריקות ביולוגיות של ארית ים קליפורני (Zalophus californianus) דגימה. Roboflipper הוא ומונע לשכפל את ההצעה של החיות 'על סמך מחקרים קודמים ^1. סנפיר רובוטית זה ישמש כדי לחקור את הביצועים הידרודינמית של האריה שחייה בים לחקור מרחב הפרמטרים רחב יותר מאשר במחקרים בבעלי חיים, במיוחד אלה של יונקים ימיים גדולים, יכול להניב.

Protocol

1. לספרת שדוגמא אריה הים Foreflipper

1. סריקת דגימה של foreflipper ארית ים.
   1. השג שדוגמא סנפיר אריות ים מתוך (איור 1 א) אדם שנפטר.
      הערה: במקרה שלנו, הם התקבלו מפארק זואולוגי סמיתסוניאן בוושינגטון
   2. אנכי לתלות את foreflipper מבסיסו (שבו foreflipper מצרף את הגוף של בעל החיים). זה הוא מאפשר הסנפיר להיות ישר כאשר סרק, וחושף את כל פני השטח לסריקה.
   3. סנפיר סריקה באמצעות סורק אור ברזולוציה גבוהה מובנים, עם דיוק של כ 0.5 מ"מ, וטעייה של כ 0.1 מ"מ (איור 1b).
2. ייבא את ענן הצבע לתוך תוכנות CAD ו לדקלם אותו כמשטח. לשם כך, לחץ על 'פתח' ובחר בקובץ .obj הרצוי. לחץ על 'יבא' כדי לייבא את הקובץ לתוך תוכנות CAD.
3. לתפעל את ענן הצבע שהתקבל באמצעותתכנון בעזרת מחשב (CAD) תוכנה על ידי לחיצה על "קיצוץ Extruded 'וגזירת חלק הבשר (חלק לא רצוי) של הסריקה. לאחר מכן, לחץ על 'סולם' כדי להשיג את קנה המידה המתאימה סנפיר רובוטית (68% מגודל מלא). בדוק סנפיר עבור לכידה בפירוט מספיק על ידי השוואה כדי הדגימה המקורית (איור 2).
4. צור את התבנית סביב הסנפיר.
   1. בעוד תוכנות CAD, השתמשו משטחי הסנפיר כדי להקים עובש על ידי יצירת נפח סביב סביב משטח הסנפיר. עושה זאת על ידי לשיחול גוש מלבן ידי לחיצה על 'סקיצה' לצייר מלבן ואז לשיחול אותו יותר מהגובה של הסנפיר להקיף אותו לחלוטין.
   2. הקישו על 'עצרת' ולייבא את שני החלקים (סנפיר ולחסום מלבני) לתוך שטח עבודה. הקישו על 'Mate' ולבצע את המטוס הקדמי העליון של שתי סנפיר ועובש כמו חופפות. זה מציב אוטומטית את הסנפיר בתוך התבנית.
   3. Sele גודלct העובש מעץ העיצוב ולחץ על 'חלק ערוך'. לאחר החלק מסומן, לחץ על 'הוספה> תכונות> חלל' לעשות חלל של הסנפיר בתוך התבנית. שרטוט קו במרכז העובש מלבני ולחץ על "פיצול" כדי ליצור שני חלקים של אותו העובש.
   4. הקש על 'חותך חלק' כדי להפריד בין הנפח שמסביב לשני חלקים להפקת סנפיר קל. הכנס חללי יתדות בכל מחצית מהמחזור ולשמור אותו בתור חלק אחד ושני של עובש הסנפיר (איור 3).
   5. המרת קבצי '.SLDRPT' של עובש '.STL'. יבוא קבצים אלה תוכנת הקניינית של מדפסת 3D ולחץ על "הדפסה" על מנת ליצור את תבנית מודפס 3D.

2. תכנן את מבנה העצם

1. פתח את foreflipper הדיגיטלי בתוך תוכנות CAD ולקבל תמונה של ארית ים foreflipper מבנה עצמות לעיון (כגון דמות1 באנגלית, 1977 ^19).
2. עיצוב שלוש חתיכות שונות המחקות את מבנה העצמות שתתאים בתוך מודל דיגיטלי של foreflipper. בכל הליך זה, 'בסיס' מתייחס לסוף חלק קרוב לבסיס של foreflipper ו 'טיפ' מתייחס לסוף החלק הקרוב יותר אל קצה foreflipper.
   1. Piece Base
      1. הפוך את אורכו של קטע זה יחסי למרחק בין מפרק הכתף ואת פרק כף היד של סנפיר אריה ים (מדידות מתקבלים באמצעות סרט מדידה). לעשות זאת באמצעות תוכנות CAD ידי לחיצה על 'סקיצה' וייצוב שצורת כתבת הבסיס (איור 4).
      2. להוסיף פרקים בשני קצותיו של חלק על ידי לחיצה על 'סקיצה' וציור שני עיגולים. הקש על 'הבוס Extrude' כדי למתוח את האורך הרצוי מהמטוס של יצירת הבסיס. הקש על הסקיצה של המעגל הקטן לחתוך לתוך extrude ידי לחיצה על 'גזור Extrude' לעשותמקום הפיר. כדי לחזק משותפת זו, לחץ על 'פילה' להחליק את המפרקים החדים.
         הערה: הממדים של החוגים תלוי בגודל של הפיר לשמש במהלך הרכבת הסנפיר על גבי מתעל המים. במקרה שלנו, הקוטר של המעגל הקטן הוא 0.5 אינץ 'ואת המעגל הגדול יותר הוא 1 סנטימטר. סוף הבסיס יישב מחוץ גיאומטרית עור סנפיר, כך הגודל של הפארקים אינו נופל תחת האילוצים של העור.
   2. Piece התיכון
      1. הפוך את אורכו של קטע זה יחסי למרחק בין מפרק כף-יד ואת משותף המפרק של אריה ים. עושים זאת על ידי לחיצה על 'סקיצה' ולשרטט את הצורה הרצויה (כפי שמוצג איור 4) על מטוס. לאחר הגיאומטריה נועדה, לחץ על 'Extrude' כדי לקבל את הצורה התל-ממדי הבסיסי של היצירה באמצע. הזן את האורך המעוקם כמו 0.1650 אינץ '.
         הערה: את הצורה הרצויה של היצירה באמצעבניסוי שלנו הוא טרפז עם גובה של 2.25 אינץ 'ואורך של שני הבסיסים כמו 1.625 ו 0.850 אינץ' בהתאמה.
      2. להוסיף פרקים בשני הקצוות. האם זה כמתואר בשלב 2.2.1.2. הקוטר של החתך שהחול הוא 0.125 אינץ '. חבר את הפארקים בקצה הבסיס עד הסוף קצה חתיכת הבסיס עם אקסל לגבש ציר המייצג את מפרק הכף-היד.
         הערה: הפרק צריך להתאים בתוך הנפח של foreflipper, כך לעצב בהתאם.
      3. הוספת מגדל כ 1 סנטימטר גובה עד הסוף קצה החתיכה משני הצדדים.
         1. כדי להוסיף מגדל, לחץ על 'סקיצה' ולשרטט מלבן על בסיס המודל. Extrude את הסקיצה על ידי בחירת סקיצה ולחיצה על "בוס Extrude '. העובי של המגדל במקרה המסוים הזה הוא 0.165 אינץ '.
         2. הקש על 'פילה' ובחר את מודל קצה אחד של המגדל המעוקם. זה מחזק את משותפת חדה שבו המגדל לבין base של היצירה באמצע מחוברים. זה בסדר אם המגדל שבולט מן הגיאומטריה של העור. המגדל צריך להיות עבה מספיק כדי לעמוד הכוחות שנוצרו במהלך טפיחת סנפיר. ראה איור 4 לעיון.
   3. Piece טיפ
      1. הפוך את אורכו של קטע זה יחסי למרחק בין המפרק המפרק ואת קצה עצם אצבע הארוך של אריה ים. עושה זאת על ידי לחיצה על 'סקיצה' ו ומשרטטת צורה רצויה על מטוס. לאחר הגיאומטריה נועדה, לחץ על extrude כדי לקבל את הצורה התל-ממדי הבסיסי של יצירת הקצה.
      2. להוסיף פרקים בשני הקצוות. האם זה כמתואר בשלב 2.2.1.2. הקוטר של החתך המעוקם צריך להיות שווה לקוטר של הציר, אשר בניסוי הזה הוא 0.125 אינץ '. פרקי האצבעות על קצה הבסיס יחוברו עד הסוף קצה החתיכה באמצע עם ציר לגבש ציר מייצג המפרק המפרק. הגיאומטריה של KNU אלהckles צריך להתאים בתוך הגיאומטריה של העור foreflipper, כך לעצב בהתאם.
      3. הוספת מגדל כ 1 סנטימטר גובה עד סוף הבסיס של יצירה על שני הצדדים. האם זה המתואר בשלב 2.2.2.3. העובי של המגדל במקרה המסוים הזה הוא 0.165 אינץ '. זה בסדר אם המגדל שבולט מן הגיאומטריה של העור. המגדל צריך להיות עבה מספיק כדי לעמוד הכוחות שנוצרו במהלך טפיחת סנפיר. ראה איור 5 לעיון.

3. יצירת פליפר

1. 3D להדפיס את השלד (בסיס, חתיכות בינוניות קצה) של הסנפיר. המרת קובץ '.SLDRPT' מ- CAD כדי '.STL' ולייבא אותו לתוך התוכנה הקניינית של המדפסת ולחץ על 'הדפסה'.
   הערה: הנחיות ההדפסה שונות עבור כל מדפסת.
   1. לחזק את פרקי היצירה הבינונית טיפ עם דבק (אפוקסי) וחוטי פחמן. כדי לעשות זאת, לחתוך פחמימותעל האשכולות של 0.750 אינץ 'אורך. החל דבק על מבנה העצמות מודפס 3D ולהניח את האשכולות על פרקי. אין זה הכרחי כדי לחזק את המפרק הגדול על פיסת הבסיס (איור 5 א).
   2. לקדוח חורים בתחתית כל מגדל הקוטר של המחרוזת Kevlar (מחרוזות אשר ישמשו כדי להניע את המפרקים).
   3. להרכיב את כל החלקים יחד העצם מבסיס להטות באמצעות סרנים. עושים זאת על ידי הצבת כל הרכיבים על שולחן שטוח כפי שמוצג באיור 4. כדי לחבר את בסיס החתיכה באמצע, ליישר את הפארקים של החלקים והכניסו את הציר. השתמש באותה טכניקה כדי להתחבר באמצע ואת פיסת עצה יחד. השתמש דבק בכל קצה של כל ציר כדי להבטיח את הציר לא זז רוחבי (איור 5 ב).
   4. חותך צינורות פלסטיק באורך הבא. חותכים ארבעה צינורות באורך של היצירה עצם הבסיס (L ₁ = 8 ס"מ) ושני צינורות באורך של היצירה באמצע (L ₂ = 6 ס"מ).
   5. חותכים 4 חתיכות של קאבמחרוזת Lar, כל 3 מטרים אורך.
   6. חלק מייתר אחד דרך צינור L ₁ ולאחר מכן צינור L _2. מפולת בוץ נוספת מחרוזת באמצעות צינור L _1. חוזרים על הפעולה עם הצינורות ומחרוזות הנותרים.
   7. מניח את הצינורות על גבי מבנה העצמות ולהשתמש קלטת ברורה להחזיקם במצב זמני. באמצעות דבק, מקל הצינורות על מבנה העצם ולאחר מכן להסיר את הקלטות.
      הערה: אין עמדה ספציפית בם הצינורות צריכים להיות ממוקמים, ההיבט הקריטי הוא פשוט לתקוע אותם על פני השטח של המבנה. השתמש 5c איור כקו מנחה.
   8. השחל את מחרוזת Kevlar מהצינור L ₁ צינור L ₂ דרך חורים שנקדחו על חתיכות קצה באמצע כמתואר בשלב 3.1.2. הפוך קשר קטן אבל בטוח ברגע שראה את השרשרת הוא דרך החור (5D האיור).
2. הוספת העור של הסנפיר ליצור סנפיר סופי.
   1. מדוד 200 מ"ל של silicעל ובינוניים סיליקון בשני מיכלים שונים.
   2. יוצקים הם נוזלים אלה לתוך קערת פלדה. להוסיף מדלל צבע (שלא יעלו על 10% מהמשקל של התערובת הכוללת) לתערובת עבור קל לשפוך ולערבב.
   3. במיקסר עמדה לערבב את התערובת היטב במשך 3 - 4 דקות. צבע ניתן להוסיף בשלב זה להשיג את האפקטים החזותיים הרצוי. אם מיקסר עמדה אינו זמין, השתמש להקציף לערבב אותו, מקפיד לגרד את הצדדים ואת התחתון של המכל.
   4. הכנס מוט לתוך המפרקים של חלק הבסיס ויישרת אותו במפרקי האצבעות של עובש הסנפיר. כאשר יתדות להתאים לתוך החללים של עובש, מבנה העצמות מיושר באופן מושלם את התבנית סנפיר. תוך כדי לחיצה ממושכת על שני חלקים של עובש, לאבטח את החלקים באמצעות מהדק לדחיסה הוסיפה (שלב זה הוא קריטי, כך שתערובת סיליקון לא לדלוף מן הפער בין שני החלקים).
   5. לאחר התערובת היא מעורבת, בזהירות לשפוך אותו העובש עד הפרק העליוןשל מבנה העצם. והנזילה נוזלת מהחור התחתון של העובש היא סמן את התערובת מקבל מפוזרים באופן אחיד. באותה ההתקפה של זה, לסתום את החור, כדי למנוע זרימה נוספת של הנוזל. השאר את הנוזל לרפא במשך ארבע שעות לפני הסרת רובוט הסנפיר מהתבנית (ראה איור 6).

שמה 4.

1. כדי לעלות על סיליקון foreflipper על מתעל מים (איור 7), ליצור מבנה הרכבה. ייצוג CAD של האסיפה המוגמרת הוצג. (איור 8).
   1. עיצוב צלחת עם חתך באמצעות תוכנות CAD מעוקם בזהירות. הקישו על 'סקיצה' וצייר מלבן של ממדים 14 x 19 אינץ '(גובה לא משנה כמו חיתוך בלייזר נעשה שימוש בקובץ .dwg). השתמש לוח מרובע של פלדה כבסיס לייצור צלחת זו. העלה ציור דו ממדים מתוכנת CAD במחשב מחובר חותך ליזר פלדה להשיג הקיצוצים הרצויים.
      הערה: תיצלחת של בתים המנועים ואת הקיצוץ הוא מאפשר מערכת הגלגלת לעבוד. רוחבו של הצלחת הוא שווה לרוחב של מתעל המים, ובכך להקל כדי להחליק את הצלחת על המתעל. סוג זה של מיקומים עוזר בסילוק קל של הרכבת ההרכבה להחליף חלקים או מודל foreflipper.
   2. תקן את foreflipper ואת הגלגלת על פיר, אשר מחליקה לתוך מסבך משולש.
      הערה: מערכת תלת-גלגלת מיושמת להעביר את מומנט / כוח מהמנוע למוט.
   3. השתמש מסב צידיו כדי לעזור המוט כדי לסובב בצורה חלקה. כדי להגביל את חופש התנועה של מוט בכיוון לרוחב, הנח צווארונים פירים בכל קצה של הפיר.
2. הגדר את ההצעה של סנפיר על ידי בחירת הפונקציה ריצה על הנהג. לחיצה על כפתור'למעלה' מסתובבת עם כיוון שעון סנפיר והלחצן 'Down' מסובב את נגד כיוון שעון הסנפיר. הנהג מאפשר לשנות את הסיבובים לדקה של המנועפיר בהתאם להוראות ב ^-20 הידניים.
3. הכנס את היציאה לצבוע ישר זווית במים להגביר את הלחץ על מערכת הצבע. כוון את המהירות של הצבע למהירות freestream של המים כך לצבוע מופיע בתור נימה חלקה אחת. סובב את הסנפיר כדי לצבוע אינטראקציה ו נלכד עם המערבולות וכתוצאה מכך שנוצרו.

תוצאות

התהליך המתואר מניב מודל רובוטי של foreflipper אריה ים קליפורני. המודל יכול לשמש בשתי דרכים שונות. האחת היא על ידי מפעיל הסנפיר רק בשורש (איור 6 א). במקרה זה, מנוע הנהיגה מגדיר את קצב הסיבוב של המפרק הראשון, אבל ההצעה וכתוצאה מכך של הסנפיר נ?...

Discussion

מנגנון הסנפיר רובוטית יאפשר לנו להבין את הידרודינמיקה של ארית הים קליפורני לשחות. זה כולל את השבץ לייצר דחף בסיסי (ה 'לטפוח'), וכן וריאציות שאינם פיזיים כי מחקרים בבעלי חיים לא יכולים לחקור. מנופף רובוטית תוכנן עבור צדדיות ניסיון, ובכך, שלב 3-שבו הסנפיר עצמו עשוי-הו?...

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