로봇 플랫폼은 캘리포니아 바다 사자의 Foreflipper를 공부하기

요약

로봇 플랫폼은 유체 역학적 성능 세력과 수영 캘리포니아 바다 사자의 유동장을 연구하는 데 사용되는 것을 설명한다. 로봇은 추진력 스트로크합니다 ( '박수')의 운동을 복제하는 모터에 의해 구동되는 동물의 foreflipper의 모델이다.

초록

캘리포니아 바다 사자 (강치 속에서 californianus)는 민첩하고 강력한 선수입니다. 많은 성공적인 수영 (돌고래, 참치)과는 달리, 그들은 그들의 큰 foreflippers과의 추력의 대부분을 생성합니다. 이 프로토콜은 수영 캘리포니아 바다 사자 (강치 속에서 californianus)의 유체 역학적 성능을 연구하기 위해 설계된 로봇 플랫폼을 설명합니다. 로봇은 추진력 스트로크합니다 ( '박수')의 운동을 복제하는 모터에 의해 구동되는 동물의 foreflipper의 모델이다. 바다 사자의 추진 뇌졸중의 운동은 스미스 소니 언 동물원 (SNZ)에서 표시되지 않은 비 연구 바다 사자의 비디오 데이터에서 추출된다. 이러한 데이터는 여기에서 제공되는 플리퍼 로봇의 작동 모션의 기초를 형성한다. 로봇 플리퍼의 형상은 풀 스케일 플리퍼의 60 %로 축소하는 성인 여성 바다 사자 foreflipper, 고해상도에 레이저 스캔을 기반으로한다. 관절 모델은 세 가지 J가oints, 바다 사자 foreflipper의 팔꿈치, 손목 및 너클 조인트을 흉내 낸. 나머지 가속 할 때 로봇 플랫폼은 역학 특성 - 레이놀즈 수 및 팁 동물 속도의 일치합니다. 로봇 플리퍼가 성능 (힘 및 토크) 및 유동장 결과를 결정하는데 사용될 수있다.

서문

과학자들은 바다 사자 수영 (에너지 분야, 운송 비용, 항력 계수, 선형 속도와 가속도 ^1-3의 기본 특성을 조사하고 ^있지만, 우리는이 지식없이, 우리는 가능성이 높은 속도를 제한 할 수 있습니다. 시스템의 유체 역학에 대한 정보 부족 높은 기동성 엔지니어링 몸 꼬리 지느러미 (BCF) 운동 모델 ⁴ 응용 프로그램. 다른 수영 패러다임을 특징으로, 우리는 따라서. 수영의 조용하고 은밀한 형태를 사용하기 위해 특별히 가능성이있는 사람들을 설계 도구의 우리의 카탈로그를 확장하도록하겠습니다 우리는 ^5,6 foreflipper 로봇 바다 사자를 사용하여 캘리포니아 바다 사자 및 실험실 조사의 직접 관찰을 통해 바다 사자 수영의 기본 메커니즘을 연구한다.

로봇 플랫폼 ⁷ :이 작업을 수행하기 위해, 우리는 복잡한 생물학적 시스템을 둘러보기에 일반적으로 사용되는 기술을 사용합니다. 여러 운동 연구 - 봇^{8,9 도보 10} 봤어 수영의 시간은 동물 중 하나 ⁽¹¹⁾ 복잡하거나 매우 단순화 ⁽¹²⁾ 기계 모델을 기반으로 한. 연구자 큰 파라미터 ^공간을 탐색 ^{13-15시키면서} 일반적으로 로봇 플랫폼 모델 시스템의 본질을 유지한다. 항상 전체 시스템을 특성화하는 것은 아니지만, 많은 기관차 시스템의 하나의 구성 요소를 분리 이러한 플랫폼을 통해 알게된다. 예를 들어, 비정상 추진기의 기본 기능은 carangiform 수영하는 동안 꼬리 지느러미의 청소 전후처럼 강렬한 피칭 및 / 또는 상하로 움직이고 패널 ^{12,16,17,18의} 실험 조사를 통해 탐구하고있다. 이 경우, 우리는 그 동물을 기반으로 연구 할 수없는 방법으로이 복잡한 동작의 특정 모드를 분리 할 수 ​​있습니다. 추진 그 기본적인 특징은 생물학적 진화 복잡도 제공하지 않아도 차량의 설계에 사용될 수있다.

우리는 뇌졸중 추력을 생산하는 바다 사자의 '박수'의 위상을 탐험하는 새로운 플랫폼을 제시한다. 단 하나의 foreflipper은 - 더 'roboflipper'-되는 플랫폼에 포함되어 있습니다. 그 형상은 캘리포니아 바다 사자 (강치 속에서 californianus) 시료의 생물학적 검사에서 정확하게 유도된다. roboflipper는 이전 연구 ^(1)로부터 유래 된 동물의 운동을 복제하기 위해 작동된다. 이 로봇 지느러미는 얻을 수, 수영 바다 사자의 유체 역학적 성능을 조사하고 동물 실험, 큰 수생 포유 동물, 특히보다 넓은 파라미터 공간을 탐색하는 데 사용됩니다.

프로토콜

1. 바다 사자 Foreflipper의 표본을 디지털화

1. 바다 사자 foreflipper의 표본을 검사합니다.
   1. 사망 한 개인 (그림 1a)에서 바다 사자 플리퍼의 표본을 얻습니다.
      참고 : 우리의 경우, 그들은 워싱턴 DC에있는 스미스 소니 언 동물원에서 얻었다
   2. 합니다 (foreflipper가 동물의 몸에 부착)의 기지에서 수직으로 foreflipper을 끊습니다. 이 모두를 스캔 할 때 지느러미 바로 할 수 있으며, 스캔 전체 표면을 노출합니다.
   3. 스캔 약 0.5 mm의 정확도로 구성된 광 스캐너 고해상도를 사용 플리퍼, 약 0.1 mm의 오차 (도 1B).
2. CAD 소프트웨어로 포인트 클라우드를 가져오고 표면으로 렌더링합니다. 이렇게하려면 '열기'를 클릭하고 원하는 .OBJ 파일을 선택합니다. 는 CAD 소프트웨어로 파일을 가져 오려면 '가져 오기'를 클릭합니다.
3. 사용하여 생성 된 점 구름을 조작'돌출 컷'을 클릭하고 검색의 살 부분 (원치 않는 부분)을 절단하여 컴퓨터 지원 설계 (CAD) 소프트웨어. 다음으로, 로봇 지느러미 (전체 크기의 68 %)에 해당하는 스케일링을 얻기 위해 '규모'를 클릭하십시오. 원래 시편 (그림 2)에 비교하여 충분히 상세하게 캡처 플리퍼를 검사합니다.
4. 플리퍼 주변의 금형을 만듭니다.
   1. 캐드 소프트웨어, 플리퍼 표면 주위를 둘러싸는 볼륨을 생성하여 주형을 형성하는 플리퍼 표면을 사용한다. 사각형을 그릴 '스케치'를 클릭하여 직사각형 블록을 압출 한 후 지느러미의 높이가 완전히 포함 이상으로 압출하여이 작업을 수행합니다.
   2. '총회'를 클릭하고 작업 영역에 모두 부품 (플리퍼 직사각형 블록)를 가져옵니다. '메이트'를 클릭하고 일치와 지느러미 및 금형 모두의 전면과 윗면을 확인합니다. 이것은 자동으로 금형 내부의 플리퍼를 배치합니다.
   3. 실리디자인 트리에서 금형 및 CT '편집 부분'을 클릭합니다. 부분을 ​​선택하면, 금형 내부의 지느러미의 캐비티를 만들기 위해 '삽입> 기능> 구멍'을 클릭합니다. 직사각형 금형의 중심에 선을 스케치와 같은 금형의 두 부분을 형성하기 위해 '분할'을 클릭합니다.
   4. 쉽게 지느러미 추출을위한 두 부분으로 주위의 볼륨을 분리하는 '잘라 파트'를 클릭합니다. 볼륨의 각 반에 충치와 못을 삽입하고 부품 하나 플리퍼 금형의 두 (그림 3)로 저장합니다.
   5. '.STL'에 금형의 '.SLDRPT'파일을 변환합니다. 3 차원 프린터의 독점 소프트웨어에 이러한 파일을 가져 오기 및 3D 인쇄 금형을 생성하기 위해 '인쇄'를 클릭합니다.

2. 뼈 구조를 디자인

1. (같은 CAD 소프트웨어에서 디지털 foreflipper를 열고 참조 뼈 구조 foreflipper 바다 사자의 이미지를 얻을 수 그림영어 1, 1977 ^19).
2. foreflipper의 디지털 모델 내부에 맞는 뼈 구조를 모방 세 가지 다른 조각을 디자인합니다. 이 절차를 통해, '염기'가까운 foreflipper와 '선단부'의베이스 부분의 단부를 참조하는 foreflipper의 선단부에 가까운 부분의 끝을 의미한다.
   1. 자료 조각
      1. 어깨 관절과 바다 사자 플리퍼의 손목 사이의 거리에이 작품의 길이에 비례합니다 (측정 측정 테이프를 사용하여 얻을 수있다). (도 4) "스케치"를 클릭하고 상기베이스 부재의 형상을 설계함으로써 CAD 소프트웨어를 사용하여 이것을.
      2. '스케치'를 클릭하고 두 개의 원을 그려 부분의 양쪽 끝에서 주먹을 추가합니다. 베이스 부분의 평면에서 원하는 길이를 돌출 '보스 돌출'을 클릭합니다. '컷 밀어 내기'를 클릭하면 만드는하여 밀어 내기로 절단 할 수있는 작은 원의 스케치를 클릭샤프트위한 공간. 이 관절을 강화하기 위해, 날카로운 관절을 부드럽게하기 위해 '필렛'을 클릭합니다.
         주 : 원의 치수는 상기 샤프트의 크기에 의존하는 물 수조의 상부에 플리퍼 장착시 사용된다. 우리의 경우에있어서, 작은 원의 직경이 0.5 인치이고, 더 큰 원을 1 인치이다. 기단부는 플리퍼 피부 형상 밖으로 앉아되므로, 너클의 크기가 피부의 제약 조건에 해당되지 않는다.
   2. 중동 조각
      1. 손목 관절과 바다 사자의 너클 조인트 사이의 거리에이 작품의 길이에 비례합니다. '스케치'를 클릭하고 비행기에 (도 4b 참조) 원하는 모양을 스케치하여이 작업을 수행합니다. 형상 설계되면, 중간 부분의 기본 입체 형상을 얻기 위해 '밀어 내기'를 클릭하십시오. 입력 0.1650 인치로 압출 길이.
         참고 : 중간 부분의 원하는 모양본 실험에서는 2.25 인치의 높이 및 1.625 및 0.850 인치로 각각 두 개의 염기 길이를 갖는 사다리꼴 형상이다.
      2. 양쪽 끝에 주먹을 추가합니다. 단계 2.2.1.2에 설명 된대로이 작업을 수행합니다. 압출 컷의 직경은 0.125 인치이다. 손목 관절을 나타내는 힌지를 형성하는 악셀과베이스 부재의 선단에 기단에 너클을 연결한다.
         참고 : 주먹이 foreflipper의 볼륨의 내부에 들어가 있으므로 적절하게 설계 할 필요가있다.
      3. 양쪽 부재의 선단을 탑 높이를 약 1cm 추가.
         1. 타워를 추가하려면 '스케치'를 클릭하고 모델의 기초에 직사각형을 스케치합니다. 스케치를 선택하고 '보스 밀어 내기'를 클릭하여 스케치를 돌출. 특히이 경우 탑의 두께는 0.165 인치이다.
         2. '필렛'을 클릭하고 모델 및 압출 타워의 한 모서리를 선택합니다. 이 날카로운 관절을 강화 어디 타워와 바중간 조각 자체가 연결되어 있습니다. 탑은 피부의 형상으로부터 돌출 경우는 괜찮습니다. 타워는 지느러미에 박수시 발생하는 힘을 견딜 수있을만큼 두꺼운해야한다. 참조 그림 4를 참조하십시오.
   3. 팁 조각
      1. 너클 조인트와 바다 사자의 긴 손가락 뼈의 끝 사이의 거리에이 작품의 길이에 비례합니다. '스케치'를 클릭하고 비행기에 원하는 형상을 스케치하여이 작업을 수행합니다. 형상 설계되면, 팁 부분의 기본 입체 형상을 얻기 위해 돌출을 클릭합니다.
      2. 양쪽 끝에 주먹을 추가합니다. 단계 2.2.1.2에 설명 된대로이 작업을 수행합니다. 압출 컷의 직경은이 실험에서 0.125 인치 차축의 직경과 동일해야한다. 기단부의 너클은 너클 조인트를 나타내는 힌지를 형성하기 위해 차축과 중간 부분의 선단에 접속된다. 이 KNU의 형상ckles 그렇게 따라 디자인의 foreflipper 피부의 형상의 내부에 들어가도록해야합니다.
      3. 양쪽 부재의 기단부를 탑 높이를 약 1cm 추가. 수행이 단계 2.2.2.3에서 설명. 특히이 경우 탑의 두께는 0.165 인치이다. 탑은 피부의 형상으로부터 돌출 경우는 괜찮습니다. 타워는 지느러미에 박수시 발생하는 힘을 견딜 수있을만큼 두꺼운해야한다. 참조를 위해 그림 5를 참조하십시오.

3. 플리퍼 만들기

1. 3D는 녀석의 골격 (기본, 중간과 끝 부분)를 인쇄 할 수 있습니다. '.STL'으로 CAD에서 '.SLDRPT'파일을 변환하고 프린터의 독점 소프트웨어로 가져올과 '인쇄'를 클릭합니다.
   주 : 인쇄 지침은 각 프린터 다릅니다.
   1. 접착제 (에폭시) 및 탄소 스레드 중간과 끝 부분의 주먹을 강화한다. 이렇게하려면 탄수화물을 잘라길이 0.750 인치의 스레드에. 3 차원 인쇄 뼈 구조에 접착제를 적용하고 너클을 통해 스레드를 배치합니다. 또한베이스 부재 (도 5a)에 큰 너클을 보강 할 필요가 없다.
   2. 각각의 바닥에 구멍을 뚫는 케블라 문자열 (조인트를 작동하는 데 사용될 문자열)의 직경 타워.
   3. 차축을 사용 팁베이스에서 함께 모든 뼈 조각을 조립합니다. 도 4에 도시 된 바와 같이 평평한 테이블에 모든 구성 요소를 배치함으로써이 작업을 수행. 베이스와 중간 부분을 연결하려면, 부품의 주먹을 정렬하고 차축을 삽입합니다. 함께 중간과 끝 부분을 연결하는 동일한 기술을 사용합니다. 측면 (그림 5b)를 이동하지 않는 차축을 보장하기 위해 각 차축의 양쪽 끝에 접착제를 사용합니다.
   4. 다음 길이로 플라스틱 튜브를 잘라. 네 튜브베이스 골편 (L ₁ = 8cm)와 두 개의 튜브 중간 편 (L ₂ = 6cm)의 길이의 길이를 잘라.
   5. 케빈의 4 조각을 잘라LAR 문자열의 길이는 각각 3피트.
   6. L 자 ₁ 관 한 다음 _L이 튜브를 통해 하나의 문자열을 밀어 넣습니다. L 자 ₁ 튜브를 통해 다른 문자열을 밀어 넣습니다. 나머지 튜브와 문자열 과정을 반복합니다.
   7. 뼈 구조의 상단에 튜브를 놓고 임시로 위치를 잡아 명확한 테이프를 사용합니다. 접착제를 사용하여 뼈 구조에 관을 부착 한 후 테이프를 제거한다.
      주 : 튜브를 배치 할 필요가있는 특정 위치가 없지만, 중요한 측면은 구조물의 표면에 부착을 막이다. 지침으로도 5c를 사용합니다.
   8. 단계 3.1.2에 설명 된대로 끝과 중간 부분에 드릴 구멍을 통해 L ₁ 관과 L ₂ 관에서 케블라 문자열을 스레드. 문자열이 구멍 (그림 5D)를 통해 일단 작지만 안전한 매듭을합니다.
2. 플리퍼의 피부를 추가하면 최종 지느러미를 만들 수 있습니다.
   1. silic 200 mL로 측정에서 두 개의 다른 컨테이너 규소 매체.
   2. 스틸 그릇에이 액체를 모두 따르십시오. 쉽게 주입 및 혼합의 혼합물에 신나를 (전체 혼합물 중량의 10 %를 초과하지)를 추가합니다.
   3. 4 분 - 3 철저하게 혼합물을 혼합 스탠드 믹서를 사용합니다. 색상은 원하는 시각적 효과를 달성하기 위해이 단계에서 첨가 될 수있다. 스탠드 믹서를 사용할 수없는 경우, 컨테이너의 측면과 바닥을 긁어주의하면서 그것을 혼합하기 위해 털을 사용합니다.
   4. 베이스 부분의 주먹에 막대를 삽입하고 플리퍼 금형의 주먹에 맞 춥니 다. 나무못 금형의 공동에 적합 할 때, 뼈 구조 플리퍼 주형에 완벽하게 정렬되어있다. 몰드의 두 개의 부분에 누른 상태 (실리콘 혼합물이 두 부분 사이의 간극으로부터 누출되지 않도록이 공정은 매우 중요하다)을 첨가하여 압축 클램프를 사용하여 부품을 고정.
   5. 혼합물이 혼합되면, 신중 최상위 너클까지 주형에 부어뼈 구조. 금형 바닥 구멍에서 액체가 스며은 균일하게 분포하기 혼합물의 표시이다. 이것의 개시에서, 상기 액체의 흐름을 방지하기 위해 구멍을 플러그. 몰드로부터 플리퍼 로봇을 제거하기 전에 4 시간 동안 경화 액을두고 (도 6 참조).

4. 장착

1. 물 수로 (그림 7)에 실리콘 foreflipper를 장착하려면 장착 구조를 만듭니다. 완성 된 어셈블리의 CAD 표현이 도시되어있다. (그림 8).
   1. CAD 소프트웨어를 사용하여 조심스럽게 잘라 압출 플레이트 디자인. '스케치'를 클릭하고 14 X 십구인치이 (레이저 커터가 .DWG 파일을 사용하기 때문에 높이가 중요하지 않습니다) 크기의 사각형을 그립니다. 이 판을 제조하는 기본으로 강철의 사각형 시트를 사용합니다. 원하는 삭감을 달성 할 수있는 스틸 레이저 커터에 연결된 컴퓨터의 CAD 소프트웨어의 이차원 도면 업로드.
      참고 : 티의 판 주택 모터와 풀리 시스템이 작동하는 것이 허용에 컷. 플레이트의 폭은 이와 같이 쉽게 플룸 위에 플레이트를 슬라이딩하게 물 수로의 폭과 동일하다. 위치의이 유형은 부품 또는 foreflipper 모델을 교체 장착 조립 쉽게 제거에 도움이됩니다.
   2. foreflipper과 삼각 트러스로 슬라이드 축 상에 풀리를 고정합니다.
      주 : 세 개의 풀리 시스템로드에 모터로부터 토크 / 동력을 전송하도록 구현된다.
   3. 부드럽게 회전 할 수있는로드를하기 위해 양쪽에 베어링을 사용합니다. 횡 방향로드의 이동을 제한하기 위해, 상기 샤프트의 각 단부에 샤프트 칼라를 배치했다.
2. 운전자의 조깅 기능을 선택하여 플리퍼의 동작을 설정한다. '위로'버튼을 누르면 플리퍼 시계 방향으로 회전하고 '아래로'버튼을 플리퍼 시계 반대 방향으로 회전합니다. 드라이버는 변화를위한 모터의 분당 회전 수매뉴얼 ^(20)의 지침에 따라 샤프트.
3. 물에 직각 염료 포트를 삽입하고 염료 시스템의 압력을 증가. 염료는 하나의 부드러운 섬유로 표시되도록 물을 자유 류 속도에 염료의 속도를 조정합니다. 염료가 상호 작용하고 생성 된 결과 소용돌이에 갇혀 가도록 (듯이) 플리퍼를 돌립니다.

결과

전술 한 프로세스는 캘리포니아 강치 foreflipper 로봇의 모델을 산출한다. 모형은 두 가지 방법으로 사용될 수있다. 하나는 루트 (도 6a)에서 플리퍼를 작동하는 것입니다. 이 경우, 상기 구동 모터는 제 조인트의 회전 속도를 설정하지만 플리퍼의 결과적인 운동은가요 플리퍼 주변 물 사이의 유체 구조의 상호 작용에 의해 결정된다. 또한, 우리는 루...

토론

로봇 플리퍼 장치는 우리가 수영 캘리포니아 바다 사자의 유체 역학을 이해 할 수 있습니다. 이것은 기본적인 추력 생산 스트로크합니다 ( '박수')뿐만 아니라 동물 연구 조사 할 수없는 비 물리적 변화를 포함한다. 로봇 지느러미는 실험 다양성을 위해 설계되었습니다, 따라서 3 단계 - 여기서 자체가되는 지느러미 원하는 결과를 얻는 중요한 만든이-입니다. 이 장치이지만, 명확하게 캘리포...

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
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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