Una piattaforma robotica per studiare la Foreflipper della California Sea Lion

Riepilogo

Una piattaforma robotica è descritto che verrà utilizzata per studiare le prestazioni forze e flowfields-della piscina Leone di mare California idrodinamici. Il robot è un modello di foreflipper dell'animale che è azionato da motori di replicare il movimento della sua corsa propulsiva (il 'clap').

Abstract

Il leone di mare della California (Zalophus californianus), è un nuotatore agile e potente. A differenza di molti nuotatori di successo (delfini, tonno), che generano la maggior parte della loro spinta con le loro grandi foreflippers. Questo protocollo descrive una piattaforma robotica progettato per studiare le prestazioni idrodinamiche del nuoto Leone di mare California (Zalophus californianus). Il robot è un modello di foreflipper dell'animale che è azionato da motori di replicare il movimento della sua corsa propulsiva (il 'clap'). La cinematica di ictus propulsiva del leone di mare vengono estratti dai dati video di non marcati, non di ricerca leoni marini presso il Parco Zoologico Smithsonian (SNZ). Tali dati costituiscono la base del moto di azionamento della pinna robotico qui presentata. La geometria della pinna robotica si riferiscono a scansione laser ad alta risoluzione di una foreflipper di un adulto leone marino femmina, scalato a circa il 60% della pinna fondo scala. Il modello articolato ha tre joints, imitando il gomito, polso e nocca congiunta del foreflipper leone marino. La piattaforma robotica soddisfa le dinamiche proprietà-Reynolds numero e la punta della velocità dell'animale in fase di accelerazione da fermo. Il flipper robotizzato può essere utilizzato per determinare le prestazioni (forze e coppie) e flowfields risultanti.

Introduzione

Mentre gli scienziati hanno studiato le caratteristiche di base di leone di nuoto mare (energetica, costo del trasporto, coefficiente di resistenza, velocità lineare e ^{1-3 accelerazione,} ci mancano informazioni sulle fluidodinamica del sistema. Senza questa conoscenza, ci limitiamo a potenziale alta velocità , applicazioni di ingegneria ad alta manovrabilità a pinna (BCF) modelli di locomozione del corpo-caudale ^4. per caratterizzare un diverso paradigma di nuoto, speriamo di espandere il nostro catalogo di strumenti di progettazione, in particolare quelli con il potenziale per consentire più silenziosi, furtivi forme di nuoto. Così , si studia il meccanismo fondamentale di nuoto leone marino attraverso l'osservazione diretta del leone di mare della California e le indagini di laboratorio con un leone marino robotizzato foreflipper ^5,6.

Per fare questo, utilizzeremo una tecnica comunemente usata per esplorare sistemi biologici complessi: una piattaforma robotica ^7. Diversi studi locomozione-both di camminare e nuotare ^{8,9 10} -hanno stata basata su entrambi i complessi ¹¹ o altamente semplificati ¹² modelli meccanici di animali. Tipicamente, le piattaforme robotiche conservano l'essenza del sistema modello, consentendo ai ricercatori di esplorare ampi spazi parametri ^13-15. Pur non sempre caratterizza l'intero sistema, molto è appreso attraverso queste piattaforme che isolano un singolo componente di un locomotore. Ad esempio, il funzionamento fondamentale propulsori instabili, come la schiena e indietro spazzare di una pinna caudale durante il nuoto carangiform, è stata intensamente esplorato attraverso indagini sperimentali di beccheggio e / o pannelli ansante ^12,16,17,18. In questo caso, possiamo isolare certi modi di questo movimento complesso in modi che gli studi basati su animali non si può. Questi aspetti fondamentali di propulsione possono poi essere utilizzati nella progettazione di veicoli che non hanno bisogno l'evoluzione complessità biologica fornisce.

In questo articolo, vi presentiamo una nuova piattaforma per esplorare la fase di 'clap' del leone di mare di spinta produttrici di ictus. Solo un singolo foreflipper-the 'roboflipper'-è incluso nella piattaforma. La sua geometria è derivato proprio da scansioni biologici di un leone di mare della California (Zalophus californianus) campione. Il roboflipper viene azionato per replicare il moto degli animali derivate da studi precedenti ^1. Questo flipper robot verrà utilizzato per studiare le prestazioni idrodinamiche del nuoto leone marino e per esplorare uno spazio parametrico più ampio di studi su animali, in particolare quelli di grandi mammiferi acquatici, può produrre.

Protocollo

1. Digitalizzare un esemplare di un leone marino Foreflipper

1. Scansione di un esemplare di un leone di mare foreflipper.
   1. Ottenere un esemplare di un flipper leone marino da un defunto individuale (Figura 1a).
      NOTA: Nel nostro caso, sono stati ottenuti dalla Smithsonian Zoological Park a Washington, DC
   2. Appendere il foreflipper verticalmente dalla sua base (dove il foreflipper attacca al corpo dell'animale). Questo sia per permette il flipper di essere dritta quando digitalizzato, ed espone l'intera superficie per la scansione.
   3. Flipper scansione utilizzando ad alta risoluzione strutturato scanner leggero, con una precisione di circa 0,5 mm e un errore di circa 0,1 mm (Figura 1b).
2. Importare la nuvola di punti in un software CAD e renderlo come superficie. Per fare questo, fare clic su 'Open' e selezionare il file obj desiderato. Clicca su 'Importa' per importare il file nel software CAD.
3. Manipolare la nuvola di punti risultante utilizzandoun design (CAD) software per computer-aided cliccando su 'taglio estruso' e tagliare la parte di carne (parte indesiderata) della scansione. Avanti, fare clic su 'scala' per ottenere la scala appropriata per il flipper robotica (68% del full size). Controllare flipper per la cattura sufficienti dettagli confrontando al modello originale (Figura 2).
4. Crea la muffa intorno alla flipper.
   1. In un programma CAD, utilizzare le superfici pinne per formare uno stampo creando un volume circostante intorno alla superficie flipper. A tale scopo, l'estrusione di un blocco rettangolare cliccando su 'Sketch' per disegnare un rettangolo e poi estrusione a più di l'altezza del flipper fino a comprendere completamente.
   2. Clicca su 'Assemblea' e importare entrambe le parti (Flipper e blocco rettangolare) nella zona di lavoro. Clicca su 'Mate' e rendere il piano frontale e la parte superiore sia del flipper e muffa come coincidenti. Questo pone automaticamente pinna all'interno dello stampo.
   3. Select lo stampo dall'albero di disegno e fare clic su 'Modifica parte'. Una volta selezionata la parte, clicca su 'Inserisci> Caratteristiche> Cavity' di fare una cavità del flipper all'interno dello stampo. Disegnare una linea al centro dello stampo rettangolare e fare clic su 'Split' in modo da formare due parti dello stesso stampo.
   4. Clicca su 'Cut Part' di separare il volume circostante in due parti per una facile estrazione flipper. Inserire cavità e pioli su ciascuna metà del volume e salvarla come parte uno e due dello stampo flipper (Figura 3).
   5. Convertire i file il '.SLDRPT' dello stampo di 'STL'. Importare questi file per il software proprietario della stampante 3D e cliccare su 'Stampa' per generare lo stampo 3D stampata.

2. Progettare la struttura ossea

1. Aprire il foreflipper digitale in un programma CAD e ottenere un'immagine del leone Mare foreflipper struttura ossea di rinvio (ad esempio figura1 in Inglese 1977 ^19).
2. Progettare tre pezzi diversi che imitano la struttura ossea che si inserisce all'interno del modello digitale del foreflipper. Durante questa procedura, 'base' si riferisce alla fine di una parte più vicino alla base del foreflipper e 'punta' si riferisce alla fine della parte più vicina alla punta della foreflipper.
   1. Pezzo Base
      1. Effettuare la lunghezza di questo pezzo proporzionale alla distanza tra l'articolazione della spalla e del polso della pinna Leone di mare (misurazioni vengono ottenuti utilizzando misurazione nastro). Fate questo utilizzando un software CAD cliccando su 'Sketch' e progettazione della forma del pezzo di base (Figura 4).
      2. Aggiungere nocche ad entrambe le estremità della parte cliccando su 'Sketch' e disegnare due cerchi. Clicca su 'Boss Extrude' per estrudere la lunghezza desiderata dal piano della base. Clicca sul disegno del cerchio più piccolo di tagliare in estrusione facendo clic su 'Cut Estrusione' farespazio per l'albero. Per rafforzare questa articolazione, clicca su 'Filetto' per lisciare i giunti taglienti.
         NOTA: Le dimensioni dei cerchi dipendono dalle dimensioni dell'albero da utilizzare durante il montaggio della pinna in cima alla canaletta dell'acqua. Nel nostro caso, il diametro del cerchio più piccolo è 0,5 pollici e il cerchio più grande è 1 pollici. L'estremità di base sarà seduto all'esterno della geometria pelle flipper, quindi la dimensione del nocche non rientra tra i vincoli della pelle.
   2. pezzo centrale
      1. Effettuare la lunghezza di questo pezzo proporzionale alla distanza tra il polso e la forcella femmina di un leone di mare. Per fare ciò, cliccando su 'Sketch' e disegnare la forma desiderata (come mostrato nella figura 4b) su un aereo. Una volta che la geometria è stata progettata, clicca su 'Estrusione' per ottenere la forma tridimensionale di base del pezzo centrale. Inserire la lunghezza estruso come 0.1650 pollici.
         NOTA: La forma desiderata del pezzo centralenel nostro esperimento è un trapezio con un'altezza di 2,25 pollici e la lunghezza delle due basi rispettivamente 1.625 e 0,850 pollici.
      2. Aggiungere nocche su entrambe le estremità. Fate questo come descritto al punto 2.2.1.2. Il diametro del taglio estruso è 0,125 pollici. Collegare le nocche sulla estremità di base per la relativa estremità del pezzo base con un assale per formare una cerniera che rappresenta il polso.
         NOTA: Le nocche devono adattarsi all'interno del volume del foreflipper, quindi progettare di conseguenza.
      3. Aggiungere una torre di circa 1 cm di altezza al fine punta del pezzo su entrambi i lati.
         1. Per aggiungere una torre, clicca su 'Sketch' e disegnare un rettangolo sulla base del modello. Estrudere lo schizzo selezionando il disegno e cliccando su 'Boss Estrusione'. Lo spessore della torre in questo caso particolare è 0,165 pollici.
         2. Clicca su 'Filetto' e selezionare il modello e un bordo della torre estruso. Questo rafforza il giunto tagliente, dove la torre e la base del pezzo centrale sono collegati. È bene se la torre sporge dalla geometria della pelle. La torre dovrebbe essere di spessore sufficiente a sopportare le forze generate durante un applauso flipper. Si veda la Figura 4 per riferimento.
   3. punta Pezzo
      1. Effettuare la lunghezza di questo pezzo proporzionale alla distanza tra il giunto a snodo e la punta dell'osso dito più lungo di un leone di mare. Per fare ciò, cliccando su 'Sketch' e disegnare una forma desiderata su un aereo. Una volta che la geometria è stata progettata, cliccare su estrusione per ottenere la forma tridimensionale di base del pezzo punta.
      2. Aggiungere nocche su entrambe le estremità. Fate questo come descritto al punto 2.2.1.2. Il diametro del taglio estruso deve essere uguale al diametro del perno, che in questo esperimento è 0,125 pollici. Le nocche sulla estremità di base saranno collegati alla estremità di punta del pezzo centrale ad un asse per formare una cerniera che rappresenta la forcella femmina. La geometria di questi KNUckles ha bisogno per adattarsi all'interno della geometria della pelle foreflipper, in modo da progettare di conseguenza.
      3. Aggiungere una torre di circa 1 cm di altezza alla estremità di base del pezzo su entrambi i lati. Fate questo descritto al punto 2.2.2.3. Lo spessore della torre in questo caso particolare è 0,165 pollici. È bene se la torre sporge dalla geometria della pelle. La torre dovrebbe essere di spessore sufficiente a sopportare le forze generate durante un applauso flipper. Vedere la Figura 5 per riferimento.

3. Creazione di un Flipper

1. 3D stampa lo scheletro (base, medio e pezzi di punta) della pinna. Convertire il file '.SLDRPT' dal CAD al 'STL' e importarlo nel software proprietario della stampante e fare clic su 'Stampa'.
   NOTA: Le istruzioni di stampa sono diverse per ciascuna stampante.
   1. Rafforzare le nocche della parte centrale e punta con un adesivo (epossidica) e fili di carbonio. Per fare questo, tagliare carbsu fili di lunghezza 0,750 pollici. Applicare l'adesivo alle strutture ossee 3D stampati e porre i fili sopra le nocche. Non è necessario rinforzare le grandi nocche sul pezzo base (figura 5a).
   2. fori nella parte inferiore di ciascuna torre del diametro della corda Kevlar (stringhe che verranno utilizzati per azionare le articolazioni).
   3. Montare tutti i pezzi di osso insieme dalla base alla punta utilizzando assi. Eseguire questa posizionando tutti i componenti su una superficie piana, come illustrato nella figura 4. Per collegare la base e parte centrale, allineare le nocche delle parti e inserire l'asse. Utilizzare la stessa tecnica per collegare il centro e il pezzo punta insieme. Utilizzare un adesivo su ciascuna estremità di ciascun asse di garantire l'asse non muoversi lateralmente (figura 5b).
   4. Tagliare tubi di plastica al seguente lunghezza. Tagliare quattro tubi della lunghezza del pezzo base ossea (L ₁ = 8 cm) e due tubi della lunghezza del pezzo centrale (L ₂ = 6 cm).
   5. Tagliare 4 pezzi di Kevstringa di lar, ogni 3 piedi di lunghezza.
   6. Far scorrere una corda attraverso un tubo L ₁ e poi un tubo L _2. Far scorrere un'altra stringa attraverso un tubo L _1. Ripetere il processo con le restanti tubi e corde.
   7. Posizionare i tubi sopra le strutture ossee e utilizzare un nastro adesivo trasparente per tenerli in posizione temporaneamente. Usando un adesivo, attaccare i tubi sulla struttura ossea e quindi rimuovere i nastri.
      NOTA: Non esiste una posizione specifica in cui i tubi devono essere collocati, l'aspetto critico è semplicemente bastone sulla superficie della struttura. Utilizzare la figura 5c come linea guida.
   8. Far passare la stringa di Kevlar da L ₁ tubo e tubo L ₂ attraverso i fori praticati sui pezzi di punta e medie come descritto al punto 3.1.2. Effettuare una piccola ma sicura nodo volta la stringa è attraverso il foro (figura 5d).
2. Aggiungendo la pelle della pinna per creare una pinna finale.
   1. Misurare 200 ml di Silicon e medie silicio in due contenitori diversi.
   2. Versare entrambi questi liquidi in una ciotola di acciaio. Aggiungere diluenti (non superare il 10% del peso della miscela totale) alla miscela per un facile versare e miscelare.
   3. Usare un mixer stand per mescolare il composto accuratamente per 3-4 min. Il colore può essere aggiunto in questa fase per ottenere gli effetti visivi desiderati. Se un mixer stand non è disponibile, utilizzare una frusta per mescolare, avendo cura di asportare lati e sul fondo del contenitore.
   4. Inserire una canna nelle nocche della parte di base e allinearlo con le nocche dello stampo flipper. Quando i pioli inseriscono nelle cavità dello stampo, la struttura ossea è allineata perfettamente nello stampo flipper. Tenendo premuto sulle due parti di stampo, fissare le parti usando un morsetto per compressione aggiunto (questo passaggio è critico in modo che la miscela di silicio non fuoriesca dalla distanza tra le due parti).
   5. Una volta che la miscela è mescolata, attenzione versare nello stampo fino nocche più altidella struttura ossea. Oozing del liquido dal foro in basso nello stampo è un segno della miscela ottenere uniformemente distribuita. All'inizio di questa, chiudere il foro per evitare ulteriore flusso di liquido. Lasciare il liquido per curare per quattro ore prima di rimuovere il robot flipper dallo stampo (vedere Figura 6).

4. Montaggio

1. Per montare il foreflipper silicio sul canale artificiale dell'acqua (figura 7), creare una struttura di montaggio. Viene mostrata una rappresentazione CAD del gruppo finito. (Figura 8).
   1. Progettare un piatto con un taglio accuratamente estruso utilizzando il software CAD. Clicca su 'Sketch' e disegnare un rettangolo di dimensioni 14 x 19 pollici (l'altezza non importa come il taglio laser utilizza un file .dwg). Utilizzare un foglio rettangolare di acciaio come base per la produzione di questo piatto. Carica disegno bidimensionale dal software CAD su un computer collegato a un taglio laser di acciaio per conseguire i tagli desiderati.
      NOTA: Thicase s targa del motore e il taglio in esso permette di sistema di pulegge a lavorare. La larghezza della piastra è uguale alla larghezza della canaletta dell'acqua, rendendo così più facile far scorrere la piastra su canaletta. Questo tipo di posizionamento aiuta nella facile rimozione del gruppo di montaggio per sostituire parti o il modello foreflipper.
   2. Fissare la foreflipper e la puleggia su un albero, che scorre in un traliccio triangolare.
      NOTA: Un sistema di tre rulli viene implementato per trasferire la coppia / potenza dal motore alla barra.
   3. Utilizzare i cuscinetti su entrambi i lati per aiutare l'asta di ruotare senza intoppi. Per limitare il movimento della biella nella direzione laterale, posizionare collari su ciascuna estremità dell'albero.
2. Impostare il movimento della pinna selezionando la funzione jogging sul driver. Premendo il pulsante 'Up' ruota il flipper in senso orario e il pulsante 'Down' ruota in senso antiorario flipper. Il driver consente di cambiare i giri al minuto del motoreAlbero secondo le istruzioni contenute nel manuale ^20.
3. Inserire la porta dye rettangolo in acqua e aumentare la pressione sul sistema colorante. Regolare la velocità del colorante alla velocità Freestream dell'acqua così il colorante appare come un singolo filamento liscio. Ruotare il flipper in modo che il colore interagisce e viene intrappolato con i vortici generati risultanti.

Risultati

Il processo sopra descritto si ottiene un modello robotico di un Leone di mare California foreflipper. Il modello può essere utilizzato in due modi diversi. Uno è azionando pinna solo alla radice (Figura 6a). In questo caso, il motore di azionamento imposta la velocità di rotazione del primo giunto, ma il moto risultante della pinna è determinato dall'interazione fluido-struttura tra l'aletta flessibile e l'acqua circostante. Inoltre, pos...

Discussione

L'apparato flipper robotica permetterà di comprendere l'idrodinamica della piscina Leone di mare California. Questo include la spinta la produzione di ictus di base (il 'clap'), così come le variazioni non fisici che gli studi su animali non indagare. Il flipper robotico è stato progettato per una maggiore versatilità sperimentale, in tal modo, il punto 3, dove pinna stessa è fatto-è fondamentale per ottenere i risultati desiderati. Mentre questo dispositivo è, chiaramente, solo un modello del sis...

Materiali

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