A plataforma robótica para estudar a Foreflipper do Leão de mar de Califórnia

Resumo

A plataforma robótica é descrito que será usada para estudar o desempenho-forças e flowfields-da natação do leão de mar Califórnia hidrodinâmicas. O robô é um modelo de foreflipper do animal que é accionado por motores de replicar o movimento do seu curso de propulsão (o "bater palmas ').

Resumo

O leão de mar de Califórnia (californianus do Zalophus), é um nadador ágil e poderoso. Ao contrário de muitos nadadores de sucesso (golfinhos, atum), que geram a maior parte de seu impulso com seus grandes foreflippers. Este protocolo descreve uma plataforma robótica projetado para estudar o desempenho hidrodinâmico da natação do leão de mar Califórnia (Zalophus). O robô é um modelo de foreflipper do animal que é accionado por motores de replicar o movimento do seu curso de propulsão (o "bater palmas '). A cinemática de acidente vascular cerebral propulsora do leão mar são extraídos de dados de vídeo de desmarcados, não as de pesquisa leões marinhos no Parque Zoológico Smithsonian (SNZ). Esses dados constituem a base do movimento de accionamento da aleta robótico aqui apresentada. A geometria da palheta robótico é baseado um on-alta resolução de digitalização a laser de um foreflipper de um leão-marinho fêmea adulta, dimensionada para cerca de 60% do flipper em grande escala. O modelo articulado tem três joints, imitando o cotovelo, punho e articulação conjunta do foreflipper leão marinho. A plataforma robótica combina propriedades de Reynolds dinâmica número e velocidade ponta-do animal ao acelerar a partir do repouso. A aleta robótico pode ser utilizado para determinar o desempenho (forças e momentos) e flowfields resultantes.

Introdução

Enquanto os cientistas têm investigado as características básicas de natação do leão de mar (energética, o custo do transporte, coeficiente de arrasto, a velocidade linear e ^{1-3 aceleração,} faltam informações sobre a dinâmica dos fluidos do sistema. Sem esse conhecimento, nós limitar o potencial de alta velocidade , aplicações de engenharia de alta capacidade de manobra para o corpo-caudal fin (FBC) modelos de locomoção ^4. ao caracterizar um paradigma de natação diferente, esperamos expandir nosso catálogo de ferramentas de design, especificamente aquelas com potencial para permitir mais silenciosos formas furtivos de natação. Assim , estudamos o mecanismo fundamental de natação do leão de mar através da observação direta do leão de mar Califórnia e investigações laboratoriais utilizando um leão-marinho robótico foreflipper ^5,6.

Para fazer isso, vamos empregar uma técnica comumente usada para explorar sistemas biológicos complexos: a plataforma robótica ^7. Vários estudos de locomoção-both de caminhar ^8,9 e nadar ¹⁰ -ter sido baseada em ambos complexos ¹¹ ou altamente simplificados ¹² modelos mecânicos de animais. Tipicamente, as plataformas robóticas reter a essência do sistema modelo, ao mesmo tempo permitindo que os investigadores para explorar grandes espaços de parâmetros ^13-15. Embora nem sempre caracterizar todo o sistema, é muito aprendidas através destas plataformas que isolam um único componente de um sistema de locomotiva. Por exemplo, o funcionamento fundamental de propulsores instáveis, como o vai-e-vem varrendo de uma barbatana caudal durante a natação carangiform, tem sido intensamente explorada através de investigações experimentais de pitching e / ou painéis arfando ^12,16,17,18. Neste caso, podemos isolar certos modos de este movimento complexo de maneiras que os estudos em animais com base não pode. Esses aspectos fundamentais de propulsão pode, então, ser utilizada na concepção de veículos que não necessitam da evolução complexidade biológica fornece.

Neste artigo, apresentamos uma plataforma nova para explorar a fase de "bater palmas" do leão-marinho produtoras de empuxo acidente vascular cerebral. Apenas um único foreflipper-o 'roboflipper'-se incluídos na plataforma. Sua geometria deriva exatamente das verificações biológicos de um leão de mar Califórnia (Zalophus) espécime. O roboflipper é actuado para replicar o movimento dos animais 'derivados a partir de estudos anteriores ^1. Este flipper robótico será usado para investigar o desempenho hidrodinâmico do leão-marinho natação e explorar um espaço de parâmetros mais vasto do que estudos com animais, particularmente aqueles de grandes mamíferos aquáticos, pode render.

Protocolo

1. Digitalize um espécime de uma Lion Foreflipper Mar

1. Digitalizar um espécime de um leão foreflipper mar.
   1. Obter uma amostra de um flipper leão de mar a partir de um falecido individuais (Figura 1a).
      NOTA: No nosso caso, eles foram obtidos a partir do Parque Smithsonian Zoological em Washington, DC
   2. Pendurar o foreflipper verticalmente a partir da sua base (onde o foreflipper atribui ao corpo do animal). Isso tanto permite a palheta ser direto quando digitalizados, e expõe toda a superfície para a digitalização.
   3. Aleta verificação usando um estruturado de alta resolução do digitalizador de luz, com uma precisão de cerca de 0,5 mm, e o erro de aproximadamente 0,1 mm (Figura 1b).
2. Importar a nuvem de pontos em software CAD e torná-lo como uma superfície. Para fazer isso, clique em "Abrir" e selecione o arquivo desejado .obj. Clique em "Importar" para importar o arquivo para o software CAD.
3. Manipular a nuvem de pontos resultante usandoum design (CAD) software assistida por computador, clicando em 'corte extrudado' e cortar a parte carne (parte indesejada) da digitalização. Em seguida, clique em 'Escala' para obter o dimensionamento adequado para o flipper robótico (68% do tamanho total). Inspecione flipper para captura detalhes suficientes comparando com o modelo original (Figura 2).
4. Criar o molde em torno da palheta.
   1. Em um software de CAD, utilizar as superfícies de aletas, para formar um molde pela criação de um volume circundante em torno da superfície da aleta. Faça isso por extrusão de um bloco retangular clicando em 'esboço' para desenhar um retângulo e, em seguida, expulsando-o mais do que a altura da aleta para abranger completamente.
   2. Clique em 'Assembléia' e importar as duas partes (aletas e bloco retangular) para a área de trabalho. Clique em 'Companheiro' e fazer o plano frontal e superior, tanto da palheta e molde como coincidentes. Isto coloca automaticamente o flipper no interior do molde.
   3. Select o molde da árvore de projeto e clique em "Editar Parte '. Uma vez que a parte que está selecionada, clique em "Inserir> Recursos> Cavity 'para fazer uma cavidade do flipper no interior do molde. Esboçar uma linha no centro do molde rectangular e clique em 'Dividir' para formar duas partes do mesmo molde.
   4. Clique em 'Parte Corte' para separar o volume circundante em duas partes para a extração de flipper fácil. Insira cavidades e estacas em cada metade do volume e guardá-lo como parte de um e dois do molde flipper (Figura 3).
   5. Converter arquivos do '.SLDRPT' do molde para '.STL'. Importar esses arquivos para o software proprietário da impressora 3D e clique em "Imprimir" para gerar o molde impresso 3D.

2. Criar a estrutura óssea

1. Abra o foreflipper digitais em um software CAD e obter uma imagem do leão de mar foreflipper estrutura óssea para referência (tal como Figura1, em Inglês, 1977 ^19).
2. Projetar três peças diferentes que imitam a estrutura óssea que vai caber dentro do modelo digital do foreflipper. Ao longo deste processo, "base" refere-se ao fim de uma parte mais perto da base do foreflipper e "ponta" refere-se à extremidade da parte mais perto da ponta da foreflipper.
   1. Pedaço de base
      1. Faça o comprimento desta peça proporcional à distância entre a articulação do ombro e do punho do flipper Leão de mar (medições são obtidas utilizando fita métrica). Faça isso usando um software de CAD clicando em 'esboço' e desenhar a forma da peça de base (Figura 4).
      2. Adicionar juntas em ambas as extremidades da peça clicando em 'esboço' e desenhar dois círculos. Clique sobre 'Boss Extrude' para extrudir o comprimento desejado a partir do plano da peça de base. Clique no esboço do círculo menor para cortar a extrusão clicando em 'Extrusão de corte "para fazerespaço para o veio. Para fortalecer esse conjunto, clique em 'filé' para suavizar as articulações afiadas.
         NOTA: As dimensões dos círculos depender do tamanho do veio a ser usada durante a montagem da aleta em cima da caleira de água. No nosso caso, o diâmetro do círculo mais pequeno é de 0,5 polegadas e o círculo grande é 1 polegadas. A extremidade de base vai estar sentado fora da geometria da pele flipper, portanto, o tamanho do juntas não cai sob as restrições da pele.
   2. Pedaço Médio
      1. Faça o comprimento desta peça proporcional à distância entre a articulação do pulso e da articulação do joelho de um leão-marinho. Faça isso clicando em 'esboço' e desenhar a forma desejada (como mostrado na Figura 4-B) em um avião. Uma vez que a geometria é projetada, clique em 'Extrude' para obter a forma tridimensional de base da peça do meio. Entrada do comprimento extrudido como 0.1650 polegadas.
         NOTA: A forma desejada da peça intermediáriaem nossa experiência é um trapézio, com uma altura de 2,25 polegadas e o comprimento das duas bases como 1.625 e 0.850 polegadas, respectivamente.
      2. Adicionar juntas em ambas as extremidades. Faça isso como descrito no passo 2.2.1.2. O diâmetro do corte extrudado é de 0,125 polegadas. Ligar os nós dos dedos na extremidade de base para a extremidade da ponta da peça de base com um eixo de modo a formar uma dobradiça que representa a articulação do pulso.
         NOTA: As juntas precisa para caber dentro do volume do foreflipper, assim conceber conformidade.
      3. Adicionar uma torre de cerca de 1 cm de altura com a extremidade da ponta da peça de ambos os lados.
         1. Para adicionar uma torre, clique em 'esboço' e esboçar um retângulo na base do modelo. Extrude o sketch selecionando o esboço e clicando em 'Boss Extrude'. A espessura da torre neste caso particular é 0,165 polegadas.
         2. Clique em 'Faixa' e selecione o modelo e uma borda da torre extrudido. Isso reforça a articulação nítida onde a torre ea base da peça do meio estão ligados. É bem se a torre se projecta a partir da geometria da pele. A torre deve ser grossa o suficiente para suportar as forças geradas durante uma salva de palmas flipper. Veja a Figura 4 para referência.
   3. Dica Pedaço
      1. Faça o comprimento desta peça proporcional à distância entre a junta articulada e a ponta do maior osso do dedo de um leão de mar. Faça isso clicando em 'esboço' e esboçar uma forma desejada em um avião. Uma vez que a geometria é projetada, clique em extrusão para obter a forma tridimensional básica da peça ponta.
      2. Adicionar juntas em ambas as extremidades. Faça isso como descrito no passo 2.2.1.2. O diâmetro do corte extrudido deve ser igual ao diâmetro do eixo, que nesta experiência é de 0,125 polegadas. Os nós dos dedos na extremidade de base irá ser ligado à extremidade da ponta da peça intermediária com um eixo de modo a formar uma dobradiça que representa a junta articulada. A geometria destas KNUckles precisa para caber no interior da geometria da pele foreflipper, assim conceber conformidade.
      3. Adicionar uma torre de cerca de 1 cm de altura para a extremidade da base da peça de ambos os lados. Faça isso descrito no passo 2.2.2.3. A espessura da torre neste caso particular é 0,165 polegadas. É bem se a torre se projecta a partir da geometria da pele. A torre deve ser grossa o suficiente para suportar as forças geradas durante uma salva de palmas flipper. Veja a Figura 5 para referência.

3. Criação de um Flipper

1. 3D imprimir o esqueleto (base, pedaços médios e de ponta) da palheta. Converter o arquivo '.SLDRPT' do CAD para o '.STL "e importá-lo para o software proprietário da impressora e clique em" Imprimir ".
   NOTA: As instruções de impressão são diferentes para cada impressora.
   1. Reforçar os nós dos dedos da peça do meio e ponta com um adesivo (epóxi) e fios de carbono. Para fazer isso, cortar carbem segmentos de comprimento 0,750 polegadas. Aplique o adesivo com as estruturas ósseas 3D impresso e colocar os fios ao longo dos dedos. Não é necessário o reforço das grandes articulações sobre a peça de base (Figura 5a).
   2. Faça furos na parte inferior de cada torre o diâmetro da corda Kevlar (cordas que serão usados ​​para acionar as articulações).
   3. Montar todas as peças de osso junto da base à ponta usando eixos. Fazer isso colocando todos os componentes sobre uma mesa plana, como mostrado na Figura 4. Para ligar a base e peça do meio, alinhar os nós dos dedos das partes e inserir o eixo. Usar a mesma técnica para ligar o meio e a peça de ponta juntos. Usar um adesivo em cada extremidade de cada eixo para assegurar o eixo não se move lateralmente (Figura 5b).
   4. Cortar tubos de plástico para o comprimento que se segue. Cortar quatro tubos do comprimento da peça de base de osso (L ₁ = 8 cm) e dois tubos de o comprimento da parte média (G ₂ = 6 cm).
   5. Corte 4 pedaços de Kevcadeia lar, cada 3 pés de comprimento.
   6. Deslize uma corda através de um tubo de L ₁ e, em seguida, um tubo de L _2. Deslize outra cadeia através de um tubo L _1. Repita o processo com os restantes tubos e cordas.
   7. Colocar os tubos no topo das estruturas ósseas e usar uma fita adesiva transparente para segurá-los em posição temporariamente. Usando um adesivo, para manter os tubos para a estrutura óssea e remova as fitas.
      NOTA: Não existe uma posição específica na qual os tubos têm que ser colocados, o aspecto essencial é simplesmente colocá-los na superfície da estrutura. Use Figura 5c como uma diretriz.
   8. Passe o fio Kevlar a partir de L ₁ tubo e o tubo L ₂ através dos orifícios perfurados na ponta de meia e peças como descrito no passo 3.1.2. Faça um pequeno mas seguro nó uma vez que a cadeia é através do orifício (Figura 5d).
2. Adicionando a pele do flipper para criar uma palheta final.
   1. Medir 200 mL de silice na forma de silício em dois recipientes diferentes.
   2. Despeje estes dois líquidos em uma tigela de aço. Adicionar solvente de tinta (não exceder 10% do peso da mistura total) à mistura para facilitar o vazamento e de mistura.
   3. Use uma batedeira para misturar a mistura completamente por 3-4 min. A cor pode ser adicionada neste passo para atingir os desejados efeitos visuais. Se uma batedeira não estiver disponível, use um batedor para misturá-lo, tomando cuidado para raspar os lados e no fundo do recipiente.
   4. Insira uma haste nos nós dos dedos da parte de base e alinhá-lo com as juntas do molde flipper. Quando as cavilhas de encaixar para dentro das cavidades do molde, a estrutura óssea é perfeitamente alinhados no molde aleta. Enquanto mantém para baixo as duas partes do molde, fixar as peças usando uma braçadeira de compressão adicionado (este passo é fundamental para que a mistura de silicone não vaza a partir do espaço entre as duas partes).
   5. Uma vez que a mistura é misturada, despeje-o cuidadosamente no molde até que os nós dos dedos de nível superiorda estrutura óssea. Escorrendo de líquido a partir do orifício inferior no molde é um sinal de a mistura ficar uniformemente distribuído. No início deste, tapar o buraco para evitar ainda mais o fluxo do líquido. Deixar o líquido a curar durante quatro horas antes de retirar o robô aleta do molde (ver Figura 6).

4. montagem

1. Para montar o foreflipper silício na calha de água (Figura 7), criar uma estrutura de montagem. Uma representação CAD do conjunto acabado é mostrado. (Figura 8).
   1. Projetar uma placa com um corte cuidadosamente extrudido usando software CAD. Clique em 'esboço' e desenhe um retângulo de dimensões 14 x 19 polegadas (a altura não importa como o cortador a laser usa um arquivo .dwg). Use uma folha rectangular de aço como a base para o fabrico deste prato. Carregue um desenho bidimensional do software CAD em um computador ligado a um cortador de laser de aço para atingir os cortes desejados.
      NOTA: Thicasas s placa do motor e do corte em que permite o sistema de roldanas para trabalhar. A largura da placa é igual à largura de um canal de descarga de água, tornando assim mais fácil para fazer deslizar a placa ao longo da calha. Este tipo de colocação ajuda a fácil remoção do conjunto de montagem para substituir peças ou o modelo foreflipper.
   2. Fixar o foreflipper ea polia em um eixo, que desliza em uma treliça triangular.
      NOTA: um sistema de três polia é implementado para transferir o torque / potência do motor para a haste.
   3. Use rolamentos em ambos os lados para ajudar a vara para rodar sem problemas. Para restringir o movimento da haste na direcção lateral, colocar os colares de veio em cada extremidade do eixo.
2. Defina o movimento da palheta, seleccionando a função jogging no motorista. Pressionar o botão "Up" gira no sentido horário flipper e botão 'Down' roda o sentido anti-horário flipper. O driver permite a mudança das rotações por minuto do motorveio de acordo com as instruções do manual ^20.
3. Insira a porta de corante em ângulo reto na água e aumentar a pressão sobre o sistema de corante. Ajustar a velocidade do corante para a velocidade da corrente livre da água de modo que o corante aparece como um único filamento liso. Gire a palheta de modo a que o corante interage e fica preso com os vórtices que foi gerado.

Resultados

O processo descrito acima produz um modelo robótico de um leão-marinho foreflipper Califórnia. O modelo pode ser usado de duas maneiras diferentes. Uma é através da actuação do aleta-se apenas com a raiz (Figura 6a). Neste caso, o motor de accionamento define a velocidade de rotação da primeira articulação, mas o movimento resultante da aleta é determinada pela interacção de fluido-estrutura entre a palheta flexível e a água circundante. ...

Discussão

O aparelho flipper robótico nos permitirá compreender a hidrodinâmica da natação do leão de mar Califórnia. Isso inclui o impulso produzir traço básico (o "aplauso"), bem como as variações não-físicos que estudos com animais não podem investigar. A aleta robótico foi concebido para versatilidade experimental, assim, passo 3 em que a aleta em si é feita, é crítico na obtenção dos resultados desejados. Embora este aparelho é, claramente, apenas um modelo do sistema vivo, estudos in situ<...

Materiais

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