Tesis:
BR3: a biologically inspired fish-like robot actuated by SMA-based artificial muscles
- Autor: CORAL CUELLAR, William Hernán
- Título: BR3: a biologically inspired fish-like robot actuated by SMA-based artificial muscles
- Fecha: 2015
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: AUTOMATICA, INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA E INFORMATICA INDUSTRIAL
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/36254/
- Director/a 1º: ROSSI, Cludio
- Resumen: Los peces son animales, donde en la mayoria 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, locomocion silencioso, giros y partidas rapidas y viajes de larga distancia. Los estudios han identificado varios tipos de locomocion que los peces usan para generar maniobras y natacion constante. A bajas velocidades la mayoria de los peces utilizan sus aletas pares y / o impares para su locomocion, que ofrecen una mayor maniobrabilidad y mejor eficiencia de propulsion. A altas velocidades la locomocion implica el cuerpo y / o aleta caudal porque esto puede lograr un mayor empuje y aceleracion. Estas caracteristicas pueden inspirar el diseño y fabricacion de una piel muy flexible, una aleta caudal morfica 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-mimetico llamado BR3, inspirado en la capacidad de maniobra y nado constante de los peces vertebrados. Inspirado por la morfologia de los peces Micropterus salmoides o tambien conocido como lubina negra, el robot BR3 utiliza su fundamento biologico para desarrollar modelos y metodos matematicos precisos que permiten imitar la locomocion de los peces reales. Los peces Largemouth Bass pueden lograr un nivel increible de maniobrabilidad y eficacia de la propulsion mediante la combinacion de los movimientos ondulatorios y aletas morficas. Para imitar la locomocion de los peces reales en una contraparte artificial se necesita del analisis de tecnologias de actuacion alternativos, como arreglos de fibras musculares en lugar de servo actuadores o motores DC estandar, asi como un material 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 esta inspirado en los musculos rojos del pescado, que son usados principalmente durante la natacion constante para la flexion 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. La estructura flexible proporciona empuje y permite que el BR3 nade. Por otro lado la aleta caudal morfica proporciona movimientos de balanceo y guiñada. Motivado por la versatilidad del BR3 para imitar todos los modos de natacion (anguilliforme, carangiforme, subcarangiforme y tunniforme) se propone un controlador de doblado y velocidad. La ley de control de doblado y velocidad incorpora la informacion del angulo de curvatura y de la frecuencia para producir el modo de natacion deseado y a su vez controlar la velocidad de natacion. Asi mismo de acuerdo con el hecho biologico de la influencia de la forma de la aleta caudal en la maniobrabilidad durante la natacion constante se propone un control de actitud. Esta novedoso robot pescado es el primero de su tipo en incorporar solo SMAs para doblar una estructura flexible continua y sin juntas y engranajes para producir empuje e imitar todos los modos de natacion, asi como la aleta caudal que es capaz de cambiar su forma. Este novedoso diseño mecatronico presenta un futuro muy prometedor para el diseño de vehiculos submarinos capaces de modificar su forma y nadar mas eficientemente. La nueva metodologia de control propuesto en esta tesis proporcionan una forma totalmente nueva de control de robots basados en SMAs, haciendolos energeticamente mas eficientes y la incorporacion de una aleta caudal morfica permite realizar maniobras mas eficientemente. En su conjunto, el proyecto BR3 consta de cinco grandes etapas de desarrollo: Estudio y analisis biologico del nado de los peces con el proposito de definir criterios de diseño y control. Formulacion de modelos matematicos que describan la: i) cinematica del cuerpo, ii) dinamica, iii) hidrodinamica iv) analisis de los modos de vibracion y v) actuacion usando SMA. Estos modelos permiten estimar la influencia de modular la aleta caudal y el doblado del cuerpo en la produccion de fuerzas de empuje y fuerzas de rotacion necesarias en las maniobras y optimizacion del consumo de energia. Diseño y fabricacion de BR3: i) estructura esqueletica de la columna vertebral y el cuerpo, ii) mecanismo de actuacion basado en SMAs para el cuerpo y la aleta caudal, iii) piel artificial, iv) electronica embebida y v) fusion sensorial. Esta dirigido a desarrollar la plataforma de pez robot BR3 que permite probar los metodos propuestos. Controlador de nado: compuesto por: i) control de las SMA (modulacion de la forma de la aleta caudal y regulacion de la actitud) y ii) control de nado continuo (modulacion de la velocidad y doblado). Esta dirigido a la formulacion de los metodos de control adecuados que permiten la modulacion adecuada de la aleta caudal y el cuerpo del BR3. Experimentos: esta dirigido a la cuantificacion de los efectos de: i) la correcta modulacion de la aleta caudal en la produccion de rotacion y su efecto hidrodinamico durante la maniobra, ii) doblado del cuerpo para la produccion de empuje y iii) efecto de la flexibilidad de la piel en la habilidad para doblarse del BR3. Tambien tiene como objetivo demostrar y validar la hipotesis de mejora en la eficiencia de la natacion y las maniobras gracias a los nuevos metodos de control presentados en esta tesis. A lo largo del desarrollo de cada una de las cinco etapas, se iran presentando los retos, problematicas y soluciones a abordar. Los experimentos en canales de agua estaran orientados a discutir y demostrar como la aleta caudal y el cuerpo pueden afectar considerablemente la dinamica / hidrodinamica de natacion / maniobras y como tomar ventaja de la modulacion de curvatura que la aleta caudal morfica y el cuerpo permiten para cambiar correctamente la geometria de la aleta caudal y del cuerpo durante la natacion constante y maniobras.