Роботизированной платформы по изучению ласт в Калифорнии морской лев

Резюме

Роботизированная платформа описывается, которая будет использоваться для изучения гидродинамических характеристик сил и вычисляемых полей-купального морской лев Калифорнии. Робот представляет собой модель ласт животного, который приводится в действие с помощью двигателей повторить движение его пропульсивной хода ( 'хлопать').

Аннотация

Морской лев Калифорния (Zalophus californianus), является гибкой и мощной пловец. В отличие от многих успешных пловцов (дельфины, тунец), они производят большую часть тяги с их большими foreflippers. Этот протокол описывает роботизированную платформу , предназначенный для изучения гидродинамической характеристики плавательного морской лев Калифорнии (Zalophus californianus). Робот представляет собой модель ласт животного, который приводится в действие с помощью двигателей повторить движение его пропульсивной хода ( 'хлопать'). Кинематика пропульсивной инсульта у моря льва извлекаются из видеоданных без опознавательных знаков, без исследований морских львов в Смитсоновском зоологический парк (СНз). Эти данные легли в основу движения привода роботизированной плавника, представленного здесь. Геометрия роботизированной плавника базируется на на высокой разрешающей способностью лазерного сканирования из ласт взрослой самки морского льва, масштабируется до примерно 60% от полной шкалы плавника. Поворотная модель имеет три Joints, имитируя локтя, запястья и затылка сустав морской лев ласт. Роботизированная платформа соответствует динамических свойств-число Рейнольдса и наконечник скорости животного при ускорении из состояния покоя. Роботизированный плавник может быть использован для определения производительности (сил и моментов) и в результате вычисляемых полей.

Введение

В то время как ученые исследовали основные характеристики льва плавания на море (энергетика, транспортные расходы, коэффициент лобового сопротивления, линейной скорости и ускорения ^1-3, нам не хватает информации о гидродинамике системы. Без этого знания, мы ограничиваем потенциал высокоскоростной , высокой маневренностью инженерных приложений к плавников (BCF) модели тела-каудальном локомоции ^4. характеризуя другую парадигму плавание, мы надеемся расширить наш каталог инструментов проектирования, в частности , с потенциалом для того, чтобы более тихие, скрытно формы плавания. Таким образом , , мы изучаем фундаментальный механизм морской лев плавание путем прямого наблюдения морского льва Калифорнии и лабораторных исследований с использованием роботизированного морской лев ласт ^5,6.

Для этого мы будем использовать обычно используемый метод для изучения сложных биологических систем: роботизированную платформу ^7. Несколько исследований локомоции-ботч ходьбы ^8,9 и плавание ¹⁰ -Иметь были основаны либо сложных ¹¹ или сильно упрощенными ¹² механических моделей животных. Как правило, роботизированные платформы сохраняют суть модельной системы, позволяя исследователям исследовать большие пространства параметров ^13-15. Хотя не всегда характеризующая всю систему, многое стало известно через эти платформы, которые изолируют один компонент локомотива системы. Например, основное функционирование нестационарными движителей, как возвратно-поступательный подметание хвостового плавника во время carangiform плавания, было интенсивно исследовали с помощью экспериментальных исследований качка и / или поднимающихся панелей ^12,16,17,18. В этом случае мы можем выделить определенные режимы этого сложного движения таким образом, что исследования на животных на основе не могут. Эти фундаментальные аспекты движения могут быть использованы в конструкции транспортных средств, которые не нуждаются в эволюции биологической сложности обеспечивает.

В этой статье мы представляем новую платформу для изучения фазы "хлопать" морского льва тяги производства инсульта. Только один ласт-The 'roboflipper'-включен в платформу. Его геометрия происходит именно из биологических сканирований морской лев Калифорнии (Zalophus californianus) образца. Roboflipper приводится в действие , чтобы повторить движение животных , полученных из предыдущих исследований ^1. Этот робот плавник будет использоваться для исследования гидродинамического производительность морского льва плавание и исследовать более широкое пространство параметров, чем исследования на животных, особенно крупных водных млекопитающих, может дать.

протокол

1. Оцифровка образец морской лев ласт

1. Сканирование образца льва ласт моря.
   1. Получить образец морского льва плавника от умершего физического лица (рис 1а).
      Примечание: В нашем случае они были получены из Смитсоновского зоологического парка в Вашингтоне, округ Колумбия
   2. Повесьте ласт по вертикали от его основания (где ласт прикрепляется к телу животного). Это и позволяет плавник быть прямыми при сканировании, и выставляет всю поверхность для сканирования.
   3. Флиппер Сканирование с использованием высокого разрешения структурированного света сканера, с точностью около 0,5 мм, а погрешность приблизительно 0,1 мм (рис 1b).
2. Импорт облака точек в программное обеспечение САПР и сделать его в качестве поверхности. Для этого нажмите кнопку "Открыть" и выберите нужный файл .obj. Нажмите на ссылку "Импорт", чтобы импортировать файл в программное обеспечение САПР.
3. Манипулирование полученное облако точек с помощьюкомпьютер автоматизированного проектирования (САПР), нажав на "Экструдированный вырезать" и вырезать плоть часть (ненужную часть) сканирования. Затем нажмите на кнопку "Масштаб", чтобы получить соответствующее масштабирование для роботизированной плавника (68% от полного размера). Осмотрите плавник для достаточного захвата детализации путем сравнения исходного образца (рис 2).
4. Создание пресс-формы вокруг плавника.
   1. В программном обеспечении САПР, используйте Флиппер поверхности для формирования пресс-формы, создавая окружающий объем вокруг поверхности перекладывающего. Сделайте это путем выдавливания прямоугольный блок, нажав на "Эскиз", чтобы нарисовать прямоугольник, а затем выдавливания его больше, чем высота плавника, чтобы полностью охватить его.
   2. Нажмите на "Ассамблее" и импортировать обе части (Flipper и прямоугольный блок) в рабочую зону. Нажмите на 'Mate' и сделать переднюю и верхнюю плоскость как ласт и плесени как совпадающие. Это автоматически помещает плавник внутри пресс-формы.
   3. Селект пресс-формы из дерева конструирования и нажмите кнопку "Редактировать Часть". После того, как часть выбрана, нажмите на кнопку "Вставка> Возможности> каверны ', чтобы сделать полость плавника внутри формы. Эскиз линии в центре прямоугольной формы и нажмите на кнопку "Split", чтобы сформировать две части одной и той же формы.
   4. Нажмите на 'вырезать часть', чтобы отделить окружающий объем на две части для легкого извлечения перекладывающего. Вставьте полости и колышки на каждую половину объема и сохранить его как часть одного и двух плавника формы (рисунок 3).
   5. Преобразование файлов в '.SLDRPT' пресс-формы к '.stl'. Импорт этих файлов на проприетарное программное обеспечение 3D-принтера и нажмите на кнопку "Печать", чтобы создать 3D печатную форму.

2. Проектирование строения костей

1. Откройте цифровой ласт в программном обеспечении САПР и получить изображение льва моря ласт структуры кости для справки (например, фигура1 на английском языке, 1977 ^19).
2. Дизайн трех различных частей, которые имитируют структуру кости, которая будет соответствовать внутри цифровой модели ласт. На протяжении всей этой процедуры, «основание» относится к концу части ближе к основанию ласт и «кончик» относится к концу части, ближе к кончику ласт.
   1. базовая часть
      1. Сделайте длина этого куска пропорциональна расстоянию между плечевой сустав и запястье морской лев плавника (измерения, полученные с помощью измерительной ленты). Сделайте это с помощью программного обеспечения САПР, нажав на "Эскиз" и конструированию формы базовой части (рисунок 4).
      2. Добавьте костяшки на обоих концах части, нажав на "Эскиз" и рисунок двух кругов. Нажмите на 'Boss Extrude', чтобы выдавить нужную длину от плоскости базовой части. Нажмите на эскиз меньшего круга, чтобы разрезать на выдавливание, нажав кнопку "Вырезать Extrude ', чтобы сделатькомната для вала. Чтобы усилить этот сустав, нажмите на кнопку "Вырезка", чтобы сгладить острые суставы.
         Примечание: Размеры кругов зависит от размера вала, чтобы использоваться во время монтажа плавник на поверхности воды желобе. В нашем случае диаметр меньшего круга составляет 0,5 дюйма, а больший круг 1 дюйма. Базовый конец будет сидеть за пределами геометрии плавник кожи, поэтому размер суставами не подпадает под действие ограничений кожи.
   2. средняя часть
      1. Сделайте длина этого куска пропорциональна расстоянию между лучезапястного сустава и шарнирное соединение льва моря. Сделайте это, нажав на "Эскиз" и черчения желаемую форму (как показано на рисунке 4b) на плоскости. После того, как геометрия разработана, нажмите на кнопку "Выдавливание", чтобы получить основную трехмерную форму средней части. Входные экструдированный длины, как 0.1650 дюйма.
         Примечание: Заданная форма средней частив нашем эксперименте является трапецией с высотой 2,25 дюйма, а длина двух оснований как 1.625 и 0.850 дюймов соответственно.
      2. Добавьте костяшки на обоих концах. Сделайте это, как описано в шаге 2.2.1.2. Диаметр экструдированных разреза составляет 0,125 дюйма. Соединить суставами на базовом конце до заостренного конца базовой части с Акселем, чтобы сформировать петлю, представляющую лучезапястный сустав.
         ПРИМЕЧАНИЕ: Суставы должны поместиться внутри объема ласт, поэтому дизайн соответственно.
      3. Добавить башню примерно 1 см в высоту до заостренного конца заплаты с обеих сторон.
         1. Чтобы добавить башню, нажмите на кнопку «Эскиз» и эскиз прямоугольник на основе модели. Выдавливание эскиза, выбрав эскиз и нажмите на ссылку "Boss Выдавливание". Толщина башни в данном конкретном случае является 0,165 дюйма.
         2. Нажмите на '' Вырезка и выберите модель и один край экструдированного башни. Это укрепляет острый сустав, где башни и басе средней части соединены. Это хорошо, если башня выступает из геометрии кожи. Башня должна быть достаточно толстым, чтобы противостоять силам, сгенерированные во время перекладывающего хлопке. Смотрите рисунок 4 для справки.
   3. Совет Кусок
      1. Сделать длина этого куска пропорциональна расстоянию между шарнирное соединение и кончиком самого длинного пальца кости льва моря. Сделайте это, нажав на "Эскиз" и черчения желаемую форму на плоскости. После того, как геометрия разработана, нажмите на выдавливать, чтобы получить основную трехмерную форму кончика части.
      2. Добавьте костяшки на обоих концах. Сделайте это, как описано в шаге 2.2.1.2. Диаметр экструдированных разреза должна быть равна диаметру оси, что в этом эксперименте составляет 0,125 дюйма. Суставы на базовом конце будет соединен с заостренного конца средней части с осью, чтобы сформировать петлю, представляющую шарнирное соединение. Геометрия этих КНУckles должен соответствовать внутри геометрии кожи ласт, поэтому дизайн соответственно.
      3. Добавить башню примерно 1 см в высоту до конца основания заплаты с обеих сторон. Сделайте это описано в пункте 2.2.2.3. Толщина башни в данном конкретном случае является 0,165 дюйма. Это хорошо, если башня выступает из геометрии кожи. Башня должна быть достаточно толстым, чтобы противостоять силам, сгенерированные во время перекладывающего хлопке. На рисунке 5 в качестве ссылки.

3. Создание Flipper

1. 3D печать скелет (базовый, средний и кончик штук) плавника. Преобразовать файл '.SLDRPT' от САПР к '.stl' и импортировать его в проприетарное программное обеспечение принтера и нажмите кнопку "Печать".
   ПРИМЕЧАНИЕ: Инструкции по печати различаются для каждого принтера.
   1. Усилить костяшки среднего и наконечника части с помощью клея (эпоксидной) и углеродных нитей. Чтобы сделать это, вырезать карбюраторна нити длиной 0,750 дюйма. Нанесите клей на 3D напечатаны структуры костей и лежали нити над суставами. Не нужно , чтобы укрепить большие суставы пальцев на базовой части (рис 5а).
   2. Просверлите отверстия в нижней части каждой башни диаметр Kevlar строки (строки, которые будут использоваться для приведения в действие суставов).
   3. Соберите все части кости вместе с основания до кончика с помощью осей. Сделайте это, помещая все компоненты , расположенные на плоском столе , как показано на рисунке 4. Для подключения базы и среднюю часть, совместите костяшки частей и вставьте ось. Используйте ту же технику, чтобы соединить средний и часть наконечника вместе. С помощью клея на каждом конце каждой оси , чтобы обеспечить ось не двигаться в сторону (Фиг.5В).
   4. Вырезать пластиковые трубки к следующей длины. Вырезать четыре трубки от длины базовой костной части (L ₁ = 8 см) и две трубки от длины средней части (L ₂ = 6 см).
   5. Вырезать 4 куска Кевлар строка, каждая из которых 3 футов в длину.
   6. Вставьте одну строку через L ₁ трубки и затем L ₂ трубки. Вставьте другую строку через L ₁ трубки. Повторите процесс с остальными трубами и струнами.
   7. Место труб в верхней части костных структур и использовать четкую ленту, чтобы удерживать их в положении временно. С помощью клея, вставить трубки на структуру кости, а затем удалить ленты.
      Примечание: Там нет конкретного положения, в котором трубы должны быть помещены, критический аспект просто наклеить их на поверхности конструкции. Используйте 5С в качестве ориентира.
   8. Заправьте кевларовой нитью из L ₁ и L трубки ₂ трубки через отверстия , просверленные на кончик и средних частей , как описано в пункте 3.1.2. Сделать небольшой , но безопасный узел после того , как струна через отверстие (рис 5d).
2. Добавление кожи плавника, чтобы создать окончательный плавник.
   1. Мера 200 мл кремниевуюна и кремния среда в двух разных контейнерах.
   2. Налейте обе эти жидкости в стальной шар. Добавить разбавитель краски (не более 10% от веса общей смеси) к смеси для легкой заливки и смешивания.
   3. Используйте подставку смеситель для смешивания смесь тщательно в течение 3 - 4 мин. Цвет может быть добавлен на этом этапе, чтобы достичь желаемых визуальных эффектов. Если стенд смеситель не доступен, используйте венчик, чтобы смешать его, следя за тем, чтобы очистить стенки и дно контейнера.
   4. Вставьте стержень в костяшками базовой части и согласовать ее с суставами плавника формы. Когда колки вписываться в полости пресс-формы, структура кости выровнена идеально в флиппером плесенью. Удерживая на две части пресс-формы, фиксации частей с помощью зажима для дополнительного сжатия (этот шаг является критическим, так что смесь кремния не протекает из зазора между двумя частями).
   5. После того, как смесь перемешивают, осторожно вылить его в пресс-форме до самых верхних суставамикостной структуры. Медленное вытекание жидкости из нижнего отверстия в пресс-форме является признаком смеси получать равномерно распределены. В начале этого, вставьте отверстие, чтобы избежать дальнейшего потока жидкости. Оставьте жидкость , чтобы вылечить в течение четырех часов перед удалением флиппер робота из формы (смотрите рисунок 6).

4. Монтаж

1. Для установки ласт кремния на воде желобе (Рисунок 7), создать монтажную структуру. САПР представление готовой сборки показан. (Рисунок 8).
   1. Дизайн пластины с тщательно экструдированного вырезать с помощью программного обеспечения CAD. Нажмите на "Эскиз" и нарисуйте прямоугольник размерами 14 х 19 дюймов (высота не имеет значения, как лазерный резак использует .dwg файл). С помощью прямоугольного листа стали в качестве основы для изготовления этой пластины. Загрузить двухмерный рисунок из программного обеспечения CAD на компьютере, подключенном к стальной лазерный резак для достижения желаемых сокращений.
      Примечание: Тхиs пластинчатые дома мотором и срезанные в нем позволяет системе работать шкив. Ширина пластины равна ширине воды желобу, тем самым облегчая скользить планшет на транспортере. Этот тип размещения помогает легкого удаления монтажного узла для замены деталей или модели ласт.
   2. Закрепите ласт и шкив на вал, который скользит в треугольной фермы.
      Примечание: Система трех шкивов осуществляется для передачи крутящего момента / мощности от двигателя к стержню.
   3. Использование подшипников с обеих сторон, чтобы помочь стержень вращаться плавно. Чтобы ограничить движение штока в боковом направлении, поместите ошейники вал на каждом конце вала.
2. Установите движение ласт, выбрав функцию бега трусцой на водителя. Нажатие на кнопку «вверх» поворачивает флиппер по часовой стрелке и кнопка "вниз" поворачивает флиппер против часовой стрелки. Драйвер позволяет изменить число оборотов в минуту двигателявал в соответствии с инструкциями , приведенными в руководстве ^20.
3. Вставьте порт прямоугольный краситель в воде и увеличивают давление на систему красителя. Регулировка скорости красителя набегающего скорость воды, так что краситель представляется в виде одной гладкой нити. Поверните плавник так, что краситель взаимодействует и попадает в ловушку с результатом вихрей, генерируемых.

Результаты

Описанный выше процесс дает роботизированную модель Калифорнии морской лев ласт. Модель может быть использована двумя различными способами. Одним из них является путем приведения в действие плавник только в корне (рис 6а). В этом случае приводной дв?...

Обсуждение

Роботизированный плавник аппарат позволит понять гидродинамику плавание морской лев Калифорнии. Это включает в себя основной тяги производить удар (далее «хлопать»), а также нефизических вариации, что исследования на животных не могут расследовать. Роботизированный плавник был разр?...

Материалы

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