Maximizing the thrust of a bio-inspired robotic fish with compliance

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The compliance of a fin affects the thrust of underwater vehicles mimicking the undulatory motion of fish. Determining the optimal compliance of a fin to maximize thrust is an important issue in designing robotic fish using a compliant fin. A simple method is presented to identify the condition for maximizing the thrust generated by a compliant fin propulsion system in case of carangiform or thunniform swimmers. When a fin oscillates in a sinusoidal manner, it also bends in a sinusoidal manner. A particular kinematic parameter of this motion has been focused on: the phase difference between the sinusoidal motion of the driving angle and the fin-bending angle. By observing the relationship between the thrust and phase difference, it is concluded that while satisfying the zero velocity condition, the maximum thrust is obtained when a compliance creates a phase difference of approximately π/2 at a certain undulation frequency. This half-pi phase delay condition is supported by thrust measurements from different compliant fins (four caudal-shaped fins with different aspect ratios) and a beam bending model of the compliant fin.
For a compliant fin to be optimal for multiple operating frequencies, the stiffness of the fin should be actively controllable. To realize this feature, a novel variable stiffness mechanism is designed. A novel variable stiffness structure is presented, that changes its stiffness by pulling a tendon. It adopts an endoskeleton structure where rigid segments and compliant segments are alternately connected in series. The stiffness of this structure is controlled by compressing the compliant segments with an axial force. A tendon that runs through the endoskeleton and is fixed at the tip provides the axial compression force when pulled. The structure using the cylindrical isolation bearing model is analyzed. The bending stiffness of the proposed structure was simulated and compared with experimental results. The structure can be stiffened approximately fifty-times the original stiffness. This variable stiffness structure can be used to increase the efficiency of a system that uses compliance, e.g., a robotic fish that uses a compliant fin for its propulsion system. Therefore, the effect of the variable stiffness mechanism and the half-pi phase delay condition will be verified with the prototype of a robotic dolphin, which will be embedded the variable stiffness structure and several actuators. This condition can be used as a guideline to select the proper compliance of a fin when designing a robotic fish. Moreover, if this variable stiffness structure is applied to the system, the compliance of the system can be easily modified depending on an operating condition.

국문 초록 (Abstract)

지느러미의 유연성이 수중생물의 반복운동하는 움직임을 모사한 수중체의 추력에 영향을 미친다. 따라서 유연한 지느러미를 이용하여 로봇 물고기를 설계하고자 한다면, 추력을 최대화 할 수 있도록 지느러미의 유연성을 최적화하는 것이 중요하다. 본 논문에서는 유연한 지느러미 구동 시스템을 이용하여 최대 추력을 발생하기 위한 간단한 조건을 확인해 보고자 하였다. 지느러미가 사인파의 모양으로 반복 구동할 때, 이 지느러미 또한 사인파 형상으로 구부러지는 현상이 나타난다. 이러한 특이한 지느러미의 기하학적인 움직임에 착안하여 지느러미가 움직이는 각도와 이에 따라 지느러미가 구부러지는 각도를 사인 주기함수로 나타내고 두 각도 함수의 위상차를 정의하여 이 위상차의 변화에 초점을 두고 연구를 진행하였다. 추력과 이 위상차 사이의 관계를 실험을 통하여 관찰한 결과 주파수가 고정되고, 유속이 없는 상태에서 최대 추력이 지느러미의 강성변화에 따라 위상차가 약 π/2인 경우에 나타나는 것을 확인하였다. 이 half-pi phase delay 조건은 다른 형상의 지느러미(서로 다른 가로세로비를 가진 네 가지 꼬리 지느러미)를 통하여도 확인할 수 있었다. 이 최대 추력을 위한 최적 유연성을 찾는 조건은 돌고래의 움직임에서도 관찰할 수 있었다. 따라서 생물에서도 적용이 가능한 조건이라고 볼 수 있다.
서로 다른 주파수 대역에서 최대 추력 조건을 만족하기 위해서는 구동부의 유연성을 능동적으로 제어할 수 있어야 한다. 이러한 특징을 실현하기 위하여 가변강성 구조체가 필요하다. 따라서, 작고 간단하며 쉽게 적용이 가능한 새로운 형태의 가변 강성 구조를 고안하였다. 이 가변 강성 구조는 줄을 당김으로써 강성이 변화되는 구조를 가지고 있다. 이 가변 강성 구조는 척추 형상에서 영감을 얻어 이와 비슷하게 구성하여 강성 구조와 연성 구조를 교차로 배열하여 이를 직렬로 붙인 형태로 되어 있다. 이러한 구조는 수직으로 작용하는 힘이 연성 구조를 압축함으로써 강성이 변화되는 특징을 지니고 있다. 줄을 이 구조 한 쪽 끝에 고정을 하고 이를 당김으로써 압축힘을 전달하는 방법을 구현하였다. 이러한 가변 강성 구조체는 cylindrical isolation 베어링 모델을 이용하여 분석하였다. 이 분석결과와 실험결과를 비교한 바 가장 유연한 상태와 가장 단단한 상태 사이의 강성의 차이가 약 50배 정도 나는 것을 확인하였다. 이러한 가변 강성 구조는 마치 로봇 물고기의 구동부에 가변 강성 구조를 적용함으로써 추력을 최대화할 수 있는 것과 같이 유연성을 이용하여 시스템의 효율을 높이는 데 사용할 수 있다. 향후에는 이러한 가변 강성 구조의 효과와 half-pi phase delay 조건의 유용성을 적용하여 최대 추력을 발생하는 로봇 물고기 연구를 진행할 수 있을 것이다. 이러한 조건은 로봇 물고기를 설계할 경우에 보다 적절한 유연성을 선택하기 위한 기준으로 사용될 수 있을 것이며, 가변 강성 구조를 이용하면 이러한 유연성을 실제 시스템에 쉽고 간단하게 적용하고 조절할 수 있을 것이다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Contents iii
• List of Tables vi
• List of Figures vii
• Nomenclature xii
• Chapter 1 Introduction 1
• 1.1 Motivation 1
• 1.2 Thesis Objectives and Overview 6
• 1.3 Contribution 8
• Chapter 2 Background 10
• 2.1 Mechanisms of Driving Device 10
• 2.2 Fish Swimming 12
• 2.2.1 Performance of Fish Swimming 12
• 2.2.2 Modeling of Fish Swimming 13
• 2.3 Previous Studies of Robotic Fish 15
• 2.4 Limitation of Current Approaches 17
• Chapter 3 Driving Device with Compliance 19
• 3.1 Concept 19
• 3.2 Kinematics of Compliant Fin 21
• 3.3 Experiment 24
• 3.3.1 Control Parameters 24
• 3.3.2 Experimental Apparatus 27
• 3.4 Results and Analysis 29
• 3.4.1 Thrust Analysis 29
• 3.4.2 Kinematic Analysis 31
• 3.4.3 Half-pi Phase Delay Condition 33
• 3.5 Simple Model of Compliant Fin 45
• 3.5.1 Compliant Fin Modeling with Pseudo Rigid Body Model 45
• 3.5.2 Results 49
• 3.6 Application to Design of Compliant Fin 51
• 3.7 Summary 54
• Chapter 4 Variable Stiffness Mechanism 57
• 4.1 Introduction 57
• 4.1.1 Need of Variable Stiffness 57
• 4.1.2 Previous Studies and Limitation of Current Studies 58
• 4.2 Novel Variable Stiffness Mechanism 59
• 4.2.1 Concept 59
• 4.2.2 Modeling and Experiment 61
• 4.2.3 Results 68
• 4.3 Driving Device with Variable Stiffness Mechanism 69
• 4.3.1 Design 70
• 4.3.2 Experimental Procedure 73
• 4.3.3 Results 77
• 4.4 Prototype of Robotic Fish 84
• 4.4.1 Prototype Design 84
• 4.4.2 Fabrication and Test 86
• 4.5 Summary 92
• Chapter 5 Conclusion and Future Work 93
• Bibliography 97
• 국문초록 104