Разработка биомиметического движителя для робота-рыбы
- Авторы: Митин И.В.1,2, Коротаев Р.А.1,2, Миронов В.И.1,2, Лобов С.А.1,2, Казанцев В.Б.1,2,3
-
Учреждения:
- Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта
- Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского
- Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики
- Выпуск: Том 18, № 4 (2023)
- Страницы: 866-869
- Раздел: Материалы конференции
- Статья получена: 16.11.2023
- Статья одобрена: 20.11.2023
- Статья опубликована: 15.12.2023
- URL: https://genescells.ru/2313-1829/article/view/623480
- DOI: https://doi.org/10.17816/gc623480
- ID: 623480
Цитировать
Полный текст
Открытый доступ
Доступ предоставлен
Доступ платный или только для подписчиков
Аннотация
Биомиметические роботы призваны воспроизвести принципы движения живых существ в природе. Эти принципы постоянно совершенствовались природой для обеспечения выживания существ. С технической точки зрения выживание обеспечивается двумя принципами: снижением потребления энергии во время движения и увеличением различных параметров движения: например, скорости, пройденного расстояния или ускорения. Было несколько попыток разработать биомиметического робота-рыбу [1–3].
Тунцы — это группа рыб с множеством эволюционных адаптаций (например, формой хвоста, формой грудного плавника и т.д.), что делает их высокоэффективными пловцами. При тунниформном плавании изгиб обычно ограничивается задней третью тела и достигает максимальной амплитуды на конце хвостового плавника.
Нами разработан биоинспирированный движитель для роботизированной модели рыбы. В основе системы лежит сочетание эластичной пластины с закреплённым на ней хвостовым плавником. Хвостовой плавник соединён с серводвигателем двумя симметричными подвижными тягами, имитирующими сокращения мышц. Двигательная установка обеспечивает колебательное движение плавника с регулируемой амплитудой и частотой. Колебания хвоста трансформируются в движение роботизированной рыбы, реализующей тунниформный принцип передвижения. Форма тела и форма хвостового плавника рыбы-робота были спроектированы с помощью вычислительной модели, имитирующей виртуальное тело в водной среде. Сконструирован и испытан в экспериментальных условиях также прототип роботизированной рыбы.
Проведена серия экспериментов по изучению зависимости кинематики робота от динамических параметров движителя. Обнаружено, что скорость робота увеличивалась с ростом частоты колебаний хвостового плавника. Мы также обнаружили, что для фиксированных частот существует интервал энергетически предпочтительных скоростей движения вплоть до пороговой скорости. Возможно также движение с более высокой скоростью, однако при бόльших затратах энергии. Этот вывод качественно согласуется с данными исследований энергозатрат на перемещение живых тунцов, хотя количественно значения, полученные для робота, всё же выше. Максимальная скорость нашей роботизированной рыбы составляла около 0,4 длины тела в секунду, что выше, чем в других работах (0,22 дл. тел./с [4], 0,254 дл. тел./с [5]), где использовали упрощённый вариант хвостовой части.
Отметим, что в работе изучалась зависимость эффективности плавания робота от амплитуды в дополнение к работам, в которых рассматривалась зависимость от частоты биений хвоста или зависимость частоты и скорости плавания. Мы обнаружили, что для представленного движителя (при фиксированной частоте) увеличение амплитуды колебаний только до определённого порога приводит к увеличению скорости плавания. Дальнейшее увеличение амплитуды колебаний приводит к слабому увеличению скорости при более высоких затратах энергии.
Проведена оценка энергоэффективности в зависимости от динамических параметров колебаний хвостового плавника. Показано, что при увеличении амплитуды колебаний хвоста выше пороговой энергозатраты на перемещение возрастают. Мы также обнаружили, что для фиксированных частот существует интервал энергетически предпочтительных скоростей движения вплоть до пороговой скорости. Возможно движение с большей скоростью, однако оно более энергозатратное. Как правило, для увеличения скорости плавания предпочтительно увеличивать частоту колебаний хвостового плавника, а не амплитуду. Эти выводы находятся в качественном согласии с результатами численного моделирования тунниформного плавания.
Ключевые слова
Полный текст
Биомиметические роботы призваны воспроизвести принципы движения живых существ в природе. Эти принципы постоянно совершенствовались природой для обеспечения выживания существ. С технической точки зрения выживание обеспечивается двумя принципами: снижением потребления энергии во время движения и увеличением различных параметров движения: например, скорости, пройденного расстояния или ускорения. Было несколько попыток разработать биомиметического робота-рыбу [1–3].
Тунцы — это группа рыб с множеством эволюционных адаптаций (например, формой хвоста, формой грудного плавника и т.д.), что делает их высокоэффективными пловцами. При тунниформном плавании изгиб обычно ограничивается задней третью тела и достигает максимальной амплитуды на конце хвостового плавника.
Нами разработан биоинспирированный движитель для роботизированной модели рыбы. В основе системы лежит сочетание эластичной пластины с закреплённым на ней хвостовым плавником. Хвостовой плавник соединён с серводвигателем двумя симметричными подвижными тягами, имитирующими сокращения мышц. Двигательная установка обеспечивает колебательное движение плавника с регулируемой амплитудой и частотой. Колебания хвоста трансформируются в движение роботизированной рыбы, реализующей тунниформный принцип передвижения. Форма тела и форма хвостового плавника рыбы-робота были спроектированы с помощью вычислительной модели, имитирующей виртуальное тело в водной среде. Сконструирован и испытан в экспериментальных условиях также прототип роботизированной рыбы.
Проведена серия экспериментов по изучению зависимости кинематики робота от динамических параметров движителя. Обнаружено, что скорость робота увеличивалась с ростом частоты колебаний хвостового плавника. Мы также обнаружили, что для фиксированных частот существует интервал энергетически предпочтительных скоростей движения вплоть до пороговой скорости. Возможно также движение с более высокой скоростью, однако при бόльших затратах энергии. Этот вывод качественно согласуется с данными исследований энергозатрат на перемещение живых тунцов, хотя количественно значения, полученные для робота, всё же выше. Максимальная скорость нашей роботизированной рыбы составляла около 0,4 длины тела в секунду, что выше, чем в других работах (0,22 дл. тел./с [4], 0,254 дл. тел./с [5]), где использовали упрощённый вариант хвостовой части.
Отметим, что в работе изучалась зависимость эффективности плавания робота от амплитуды в дополнение к работам, в которых рассматривалась зависимость от частоты биений хвоста или зависимость частоты и скорости плавания. Мы обнаружили, что для представленного движителя (при фиксированной частоте) увеличение амплитуды колебаний только до определённого порога приводит к увеличению скорости плавания. Дальнейшее увеличение амплитуды колебаний приводит к слабому увеличению скорости при более высоких затратах энергии.
Проведена оценка энергоэффективности в зависимости от динамических параметров колебаний хвостового плавника. Показано, что при увеличении амплитуды колебаний хвоста выше пороговой энергозатраты на перемещение возрастают. Мы также обнаружили, что для фиксированных частот существует интервал энергетически предпочтительных скоростей движения вплоть до пороговой скорости. Возможно движение с большей скоростью, однако оно более энергозатратное. Как правило, для увеличения скорости плавания предпочтительно увеличивать частоту колебаний хвостового плавника, а не амплитуду. Эти выводы находятся в качественном согласии с результатами численного моделирования тунниформного плавания.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Вклад авторов. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).
Источник финансирования. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 21-12-00246).
Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.
Об авторах
И. В. Митин
Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта; Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского
Автор, ответственный за переписку.
Email: illya.mitin@gmail.com
Россия, Калининград; Нижний Новгород
Р. А. Коротаев
Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта; Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского
Email: illya.mitin@gmail.com
Россия, Калининград; Нижний Новгород
В. И. Миронов
Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта; Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского
Email: illya.mitin@gmail.com
Россия, Калининград; Нижний Новгород
С. А. Лобов
Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта; Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского
Email: illya.mitin@gmail.com
Россия, Калининград; Нижний Новгород
В. Б. Казанцев
Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта; Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского; Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики
Email: illya.mitin@gmail.com
Россия, Калининград; Нижний Новгород; Санкт-Петербург
Список литературы
- Romano D., Wahi A., Miraglia M., Stefanini C. Development of a novel underactuated robotic fish with magnetic transmission system // Machines. 2022. Vol. 10, N 9. P. 755. doi: 10.3390/machines10090755
- van den Berg S.C., Scharff R.B.N., Rusak Z., Wu J. OpenFish: biomimetic design of a soft robotic fish for high speed locomotion // HardwareX. 2022. Vol. 12. P. e00320. doi: 10.1016/j.ohx.2022.e00320
- Rossi C., Coral W., Colorado J., Barrientos A. A motor-less and gear-less bio-mimetic robotic fish design. In: Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation; 2011 May 9–13; P. 3646–3651. doi: 10.1109/ICRA.2011.5979611
- Lau W.P., Zhong Y., Du R., Li Z. Bladderless swaying wire-driven robot shark. In: Proceedings of the 2015 IEEE 7th International Conference on Cybernetics and Intelligent Systems (CIS) and IEEE Conference on Robotics, Automation and Mechatronics (RAM), Siem Reap; 2015. Cambodia. 2015 Jul 15–17; P. 155–160.
-
Li Z., Du R., Zhang Y., Li H. Robot fish with novel wire-driven continuum flapping propulsor // Applied Mechanics and Materials. 2013. Vol. 300. P. 510–514. doi: 10.4028/
Дополнительные файлы
