Modeling and control of a sperm-inspired robot with helical propulsion

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作者
Liangwei Deng,Chao Zhou,Zhuoliang Zhang,Xiaocun Liao,Junfeng Fan,Xiaofei Wang,Jiaming Zhang
出处
期刊:Bioinspiration & Biomimetics [IOP Publishing]
标识
DOI:10.1088/1748-3190/adaaba
摘要

Abstract Efficient propulsion has been a central focus of research in the field of biomimetic underwater vehicles. Compared to the prevalent fish-like reciprocating flapping propulsion mode, the sperm-like helical propulsion mode features higher efficiency and superior performance in high-viscosity environments. Based on the previously developed sperm-inspired robot, this paper focuses on its dynamic modeling and depth control research. The helical propulsion performance of the sperm-inspired robot is analyzed by resistance-theory-based force analysis, followed by the application of Kirchhoff rod theory to determine the helical waveform parameters. The dynamic model of the sperm-inspired robot is established using the Kirchhoff equation, and its validity is verified through experiments. To enhance the practical application capability of the sperm-inspired robot, this study develops an ADRC (Active Disturbance Rejection Control) depth controller for roll-spin coupling motion based on the constructed dynamics model. The effectiveness of the controller is thoroughly validated through a combination of simulation and experiment. Experimental results demonstrate the excellent depth control ability of the robot, with an average depth error controlled within 0.19 cm. This superior performance lays a foundation for the future application of our robot in underwater operations.
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