BR3: a biologically inspired fish-like robot actuated by SMA-based artificial muscles.

185 Pages·2015·7.29 MB·English

BR3: a biologically inspired fish-like robot
actuated by SMA-based artificial muscles.
William Hern´an Coral Cu´ellar
Department of Electronics, Informatics and Industrial Engineering
Universidad Politcnica de Madrid, Spain
A thesis submitted for the degree of
Doctor of Philosophy in Robotics
2015
Title:
BR3: a biologically inspired fish-like robot actuated by SMA-based artificial
muscles.
Author:
William Hern´an Coral Cu´ellar, M.Sc
Director:
Prof. Claudio Rossi, Ph.D
Robotics and Cybernetics Group
Tribunal nombrado por el Mgfco. y Excmo. Sr. Rector de la Universidad Polit´ectica de
Madrid, el d´ıa 25 de Mayo de 2015.
Tribunal
Presidente: D. Manuel A´ngel Armada Rodr´ıguez
Vocal: D. Fernando Torres Medina
Vocal: D. Oscar Reinoso Garcia
Vocal: D. Mohamed Abderrahim
Secretario: D. Sergio Dominguez Cabrerizo
Suplente: D. Joa˜o Valente
Suplente: D. Antonio Gim´enez Fern´andez
Realizado el acto de lectura y defensa de la Tesis el d´ıa 25 de Mayo de 2015.
Calificaci´on de la Tesis:
El presidente: Los Vocales:
El Secretario:
ii
Abstract
Fishes are animals where in most cases are considered as highly manoeuvrable and
e↵ortless swimmers. In general fishes are characterized for his manoeuvring skills,
noiselesslocomotion,rapidturning,faststartingandlongdistancecruising. Studies
have identified several types of locomotion that fish use to generate maneuvering
and steady swimming. At low speeds most fishes uses median and/or paired fins
for its locomotion, o↵ering greater maneuverability and better propulsive e�ciency.
Athighspeedsthelocomotioninvolvesthebodyand/orcaudalfinbecausethiscan
achieve greater thrust and accelerations.
This can inspire the design and fabrication of a highly deformable soft
artificial skins, morphing caudal fins and non articulated backbone with
a significant maneuverability capacity.
This thesis presents the development of a novel bio-inspired and biomimetic fish-
like robot (BR3) inspired by the maneuverability and steady swimming ability of
ray-finned fishes (Actinopterygii, bony fishes). Inspired by the morphology of the
Largemouth Bass fish, the BR3 uses its biological foundation to develop accurate
mathematical models and methods allowing to mimic fish locomotion.
The Largemouth Bass fishes can achieve an amazing level of maneuverability and
propulsive e�ciency by combining undulatory movements and morphing fins. To
mimicthelocomotionoftherealfishesonanartificialcounterpartneedstheanalysis
ofalternativeactuationtechnologiesmorelikelymusclefiberarraysinsteadofstan-
dardservomotoractuatorsaswellasabendablematerialthatprovidesacontinuous
structure without joins. The Shape Memory Alloys (SMAs) provide the possibility
of building lightweight, joint-less, noise-less, motor-less and gear-less robots. Thus
a swimming underwater fish-like robot has been developed whose movements are
generated using SMAs. These actuators are suitable for bending the continuous
backbone of the fish, which in turn causes a change in the curvature of the body.
Thistypeofstructuralarrangementisinspiredbyfishredmuscles,whicharemainly
recruited during steady swimming for the bending of a flexible but nearly incom-
pressible structure such as the fishbone. Likewise the caudal fin is based on SMAs
and is customized to provide the necessary work out.
The bendable structure provides thrust and allows the BR3 to swim. On the other
hand the morphing caudal fin provides roll and yaw movements. Motivated by the
versatilityoftheBR3 tomimicalltheswimmingmodes(anguilliform,caranguiform,
subcaranguiform and thunniform) a bending-speed controller is proposed. The
bending-speed control law incorporates bend angle and frequency information to
produce desired swimming mode and swimming speed. Likewise according to the
biologicalfactabouttheinfluenceofcaudalfinshapeinthemaneuverabilityduring
steady swimming an attitude control is proposed.
This novel fish robot is the first of its kind to incorporate only SMAs to
bend a flexible continuous structure without joints and gears to produce
thrust and mimic all the swimming modes as well as the caudal fin to
be morphing. This novel mechatronic design is a promising way to
design more e�cient swimming/morphing underwater vehicles. The
novel control methodology proposed in this thesis provide a totally new
way of controlling robots based on SMAs, making them more energy
e�cient and the incorporation of a morphing caudal fin allows to
perform more e�cient maneuvers.
As a whole, the BR3 project consists of five major stages of development:
• Study and analysis of biological fish swimming datareportedinspecial-
ized literature aimed at defining design and control criteria.
• Formulation of mathematical models for: i) body kinematics, ii) dynam-
ics, iii) hydrodynamics, iv) free vibration analysis and v) SMA muscle-like
actuation. It is aimed at modelling the e↵ects of modulating caudal fin and
bodybendintotheproductionofthrustforcesforswimming, rotationalforces
for maneuvering and energy consumption optimisation.
• Bio-inspired design and fabrication of: i) skeletal structure of backbone
and body, ii) SMA muscle-like mechanisms for the body and caudal fin, iii)
the artificial skin, iv) electronics onboard and v) sensor fusion. It is aimed
at developing the fish-like platform (BR3) that allows for testing the methods
proposed.
• The swimming controller: i) control of SMA-muscles (morphing-caudal fin
modulation and attitude regulation) and ii) steady swimming control (bend
modulation and speed modulation). It is aimed at formulating the proper
control methods that allow for the proper modulation of BR3’s caudal fin and
body.
• Experiments: it is aimed at quantifying the e↵ects of: i) properly caudal fin
modulation into hydrodynamics and rotation production for maneuvering, ii)
body bending into thrust generation and iii) skin flexibility into BR3 bending
ability. It is also aimed at demonstrating and validating the hypothesis of
improving swimming and maneuvering e�ciency thanks to the novel control
methods presented in this thesis.
This thesis introduces the challenges and methods to address these stages. Water-
channelexperimentswillbeorientedtodiscussanddemonstratehowthecaudalfin
and body can considerably a↵ect the dynamics/hydrodynamics of swimming/ma-
neuveringandhowtotakeadvantageofbendmodulationthatthemorphing-caudal
finandbodyenabletoproperlychangecaudalfinandbody’geometryduringsteady
swimming and maneuvering.
Resumen:
Los peces son animales, donde en la mayor´ıa de los casos, son considerados como
nadadores muy eficientes y con una alta capacidad de maniobra. En general los
peces se caracterizan por su capacidad de maniobra, locomoci´on silencioso, giros
y partidas r´apidas y viajes de larga distancia. Los estudios han identificado varios
tiposdelocomoci´onquelospecesusanparagenerarmaniobrasynataci´onconstante.
A bajas velocidades la mayor´ıa de los peces utilizan sus aletas pares y / o impares
para su locomoci´on, que ofrecen una mayor maniobrabilidad y mejor eficiencia de
propulsi´on. A altas velocidades la locomoci´on implica el cuerpo y / o aleta caudal
porque esto puede lograr un mayor empuje y aceleracion.
Estas caracter´ısticas pueden inspirar el diseo y fabricaci´on de una piel
muy flexible, una aleta caudal m´orfica y una espina dorsal no
articulada con una gran capacidad de maniobra.
Esta tesis presenta el desarrollo de un novedoso pez robot bio-inspirado y bio-
mim´etico llamado BR3, inspirado en la capacidad de maniobra y nado constante
de los peces vertebrados. Inspirado por la morfolog´ıa de los peces Micropterus
salmoides o tambi´en conocido como lubina negra, el robot BR3 utiliza su funda-
mento biol´ogico para desarrollar modelos y m´etodos matem´aticos precisos que per-
miten imitar la locomoci´on de los peces reales. Los peces Largemouth Bass pueden
lograr un nivel incre´ıble de maniobrabilidad y eficacia de la propulsi´on mediante la
combinaci´on de los movimientos ondulatorios y aletas morficas.
Para imitar la locomoci´on de los peces reales en una contraparte artificial se nece-
sita del an´alisis de tecnolog´ıas de actuaci´on alternativos, como arreglos de fibras
muscularesenlugardeservoactuadoresomotoresDCest´andar, as´ıcomounmate-
rial flexible que proporciona una estructura continua sin juntas. Las aleaciones con
memoria de forma (SMAs) proveen la posibilidad de construir robots livianos, que
no emiten ruido, sin motores, sin juntas y sin engranajes. Asi es como un pez robot
submarino se ha desarrollado y cuyos movimientos son generados mediante SMAs.
Estos actuadores son los adecuados para doblar la espina dorsal continua del pez
robot, que a su vez provoca un cambio en la curvatura del cuerpo. Este tipo de
arreglo estructural est´a inspirado en los mu´sculos rojos del pescado, que son usa-
dos principalmente durante la nataci´on constante para la flexi´on de una estructura
flexible pero casi incompresible como lo es la espina dorsal de pescado. Del mismo
modo la aleta caudal se basa en SMAs y se modifica para llevar a cabo el trabajo
necesario.
LaestructuraflexibleproporcionaempujeypermitequeelBR3nade. Porotrolado
la aleta caudal m´orfica proporciona movimientos de balanceo y guiada. Motivado
por la versatilidad del BR3 para imitar todos los modos de nataci´on (anguilliforme,
carangiforme,subcarangiformeytunniforme)seproponeuncontroladordedoblado
y velocidad. La ley de control de doblado y velocidad incorpora la informaci´on del
´angulo de curvatura y de la frecuencia para producir el modo de nataci´on deseado
y a su vez controlar la velocidad de nataci´on. As´ı mismo de acuerdo con el hecho
biol´ogicodelainfluenciadelaformadelaaletacaudalenlamaniobrabilidaddurante
la nataci´on constante se propone un control de actitud.
Esta novedoso robot pescado es el primero de su tipo en incorporar s´olo
SMAs para doblar una estructura flexible continua y sin juntas y
engranajes para producir empuje e imitar todos los modos de nataci´on,
as´ı como la aleta caudal que es capaz de cambiar su forma. Este
novedoso diseo mecatr´onico presenta un futuro muy prometedor para el
diseo de veh´ıculos submarinos capaces de modificar su forma y nadar
mas eficientemente. La nueva metodolog´ıa de control propuesto en esta
tesis proporcionan una forma totalmente nueva de control de robots
basados en SMAs, haci´endolos energ´eticamente ma´s eficientes y la
incorporaci´on de una aleta caudal m´orfica permite realizar maniobras
m´as eficientemente.
En su conjunto, el proyecto BR3 consta de cinco grandes etapas de desarrollo:
• Estudio y an´alisis biol´ogico del nado de los peces con el prop´osito de
definir criterios de disen˜o y control.
• Formulaci´on de modelos matem´aticos que describan la: i) cinem´atica del
cuerpo, ii) din´amica, iii) hidrodin´amica iv) an´alisis de los modos de vibraci´on
y v) actuaci´on usando SMA. Estos modelos permiten estimar la influencia de
modularlaaletacaudalyeldobladodelcuerpoenlaproducci´ondefuerzasde
empuje y fuerzas de rotaci´on necesarias en las maniobras y optimizaci´on del
consumo de energ´ıa.
• Disen˜oyfabricaci´ondeBR3: i)estructuraesquel´eticadelacolumnaverte-
bral y el cuerpo, ii) mecanismo de actuaci´on basado en SMAs para el cuerpo y
laaletacaudal,iii)pielartificial,iv)electr´onicaembebidayv)fusi´onsensorial.
Est´adirigidoadesarrollarlaplataformadepezrobotBR3quepermiteprobar
los m´etodos propuestos.
• Controlador de nado: compuesto por: i) control de las SMA (modulaci´on
de la forma de la aleta caudal y regulaci´on de la actitud) y ii) control de nado
continuo(modulaci´ondelavelocidadydoblado). Est´adirigidoalaformulaci´on
de los m´etodos de control adecuados que permiten la modulaci´on adecuada de
la aleta caudal y el cuerpo del BR3.
• Experimentos: est´a dirigido a la cuantificaci´on de los efectos de: i) la cor-
recta modulaci´on de la aleta caudal en la producci´on de rotaci´on y su efecto
hidrodin´amico durante la maniobra, ii) doblado del cuerpo para la producci´on
deempujeyiii)efectodelaflexibilidaddelapielenlahabilidadparadoblarse
del BR3. Tambi´en tiene como objetivo demostrar y validar la hip´otesis de
mejora en la eficiencia de la nataci´on y las maniobras gracias a los nuevos
m´etodos de control presentados en esta tesis.
A lo largo del desarrollo de cada una de las cinco etapas, se ir´an presentando los
retos, problem´aticas y soluciones a abordar. Los experimentos en canales de agua
estar´an orientados a discutir y demostrar c´omo la aleta caudal y el cuerpo pueden
afectar considerablemente la din´amica / hidrodin´amica de nataci´on / maniobras y
c´omo tomar ventaja de la modulaci´on de curvatura que la aleta caudal m´orfica y el
cuerpo permiten para cambiar correctamente la geometr´ıa de la aleta caudal y del
cuerpo durante la nataci´on constante y maniobras.
A Dios, mi Madre, mis hermanos (Adonis, Ivonne, Cesar), ma petite chouchou
(Laura), mis primos, mis hermanos de coraz´on y mi nueva familia Coral.
Acknowledgements
The author would like to thank to professor Oscar M. Curet for providing the
support and useful knowledge about the hydrodynamics e↵ects on fish robots. To
the Curet Lab team of Florida Atlantic University for providing the water-channel
facility, and their support with the experiments.