Exploration of swimming performance for a biomimetic multi-joint robotic fish with a compliant passive joint

接头(建筑物) 仿生学 控制理论(社会学) 关节刚度 刚度 相位差 工程类 模拟 计算机科学 结构工程 控制(管理) 人工智能 带宽(计算) 电信
作者
Di Chen,Zhengxing Wu,Huijie Dong,Min Tan,Junzhi Yu
出处
期刊:Bioinspiration & Biomimetics [IOP Publishing]
卷期号:16 (2): 026007-026007 被引量:32
标识
DOI:10.1088/1748-3190/abc494
摘要

Abstract In this paper, a novel compliant joint with two identical torsion springs is proposed for a biomimetic multi-joint robotic fish, which enables imitatation of the swimming behavior of live fish. More importantly, a dynamic model based on the Lagrangian dynamic method is developed to explore the compliant passive mechanism. In the dynamic modeling, a simplified Morrison equation is utilized to analyze the hydrodynamic forces. Further, the parameter identification technique is employed to estimate numerous hydrodynamic parameters. The extensive experimental data with different situations match well with the simulation results, which verifies the effectiveness of the obtained dynamic model. Finally, motivated by the requirement for performance optimization, we firstly take advantage of a dynamic model to investigate the effect of joint stiffness and control parameters on the swimming speed and energy efficiency of a biomimetic multi-joint robotic fish. The results reveal that phase difference plays a primary role in improving efficiency and the compliant joint presents a more significant role in performance improvement when a smaller phase difference is given. Namely, at the largest actuation frequency, the maximum improvement of energy efficiency is obtained and surprisingly approximates 89%. Additionally, the maximum improvement in maximum swimming speed is about 0.19 body lengths per second. These findings demonstrate the potential of compliance in optimizing joint design and locomotion control for better performance.
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