Ein kontinuierlicher weicher Roboterforelle mit eingebetteten HASEL-Aktoren: Design, Herstellung und Schwimmkinematik

Zusammenfassung Autonome Unterwasserfahrzeuge (AUVs) mit größerer Manövrierfähigkeit, Effizienz und Widerstandsfähigkeit sind erforderlich, um die Herausforderungen bei der Erkundung und Überwachung der Unterwasserwelt zu meistern. Daher schauen wir uns Unterwassertiere an, um zu entdecken, was sie zu so ausgezeichneten Schwimmern macht. Biologisch inspirierte, weiche Roboter können die Leistung des biologischen Schwimmens mit der Robustheit weicher Konstruktionen kombinieren, wobei der ideale Roboter einen gelenklosen, flexiblen Körper hat, der wie echte Fische mit eingebetteten Muskeln ausgestattet ist. In diesem Papier präsentieren wir eine kontinuierlich verformbare Roboterforelle mit eingebetteten elektro-hydraulischen HASEL-Kunstmuskeln, charakterisieren experimentell ihre Schwimmkinematik und berichten über ein reduziertes numerisches Modell, das die natürlichen Frequenzen und Modenformen des Roboterfisches vorhersagt. Wir charakterisierten die 3D-Schwimmkinematik des Roboters im Vollkörper während des Untertauchens in Wasser mit digitaler Bildkorrelation. Der weiche Roboter erfährt eine Ganzkörperbeugung als Reaktion auf die interne Muskelaktuation und zeigt Kinematik, die mit biologischen Forellen vergleichbar ist. Die Schwanzschlaggeschwindigkeit wurde bei den ersten drei beobachteten natürlichen Frequenzen mit einem Maximum von 69 mm s-1 gemessen, was einer Verlagerung der Hinterkante der Schwanzflosse von ±10 mm entspricht. Wir leiten ein strahlbasiertes Fluid-Struktur-Interaktionsmodell (FSI) ab, das die Schwimmkinematik als Reaktion auf die eingebetteten Muskelkräfte vorhersagt und die Effekte von nichtlinearen Wirbel- und konvektiven Kräften auf den Körper des Roboters umfasst. Das nichtlineare FSI-Modell sagte die ersten drei gedämpften natürlichen Frequenzen innerhalb von 5 % Fehler vorher und die Modenformen, die mit den experimentellen Daten korrelierten. Dieses Papier trägt zum Design, zur Herstellung und zur Charakterisierung einer Festkörper-Roboterforelle bei, die Ganzkörperflexibilität und eingebettete Aktuation durch numerische Modellierung und experimentelle Analyse aufweist.