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Tail-stiffness optimization for a flexible robotic fish

刚度 关节刚度 接头(建筑物) 结构工程 曲率 控制理论(社会学) 机械 工程类 计算机科学 数学 物理 几何学 人工智能 控制(管理)
作者
Qianqian Zou,Chao Zhou,Ben Lu,Xiaocun Liao,Zhuoliang Zhang
出处
期刊:Bioinspiration & Biomimetics [IOP Publishing]
卷期号:17 (6): 066003-066003 被引量:9
标识
DOI:10.1088/1748-3190/ac84b6
摘要

Abstract Undulation regulation in a robotic fish propelled by a passive flexible tail is more similar to that of a natural fish than with a rigid tail, owing to the smooth curvature of the flexible tail. Moreover, it has been observed that fish change the stiffness of their bodies to adapt to various swimming states. Inspired by this, a stiffness optimization scheme is explored for a novel elastic tail, which can improve the performance of the robotic fish. Spring steels are used as passive flexible joints of the fishtail; these can be easily expanded into multi-joint structures and the joint stiffness can be altered by changing the joint size. In this study, the Lagrangian dynamic method is employed to establish a dynamic model of the robotic fish in which passive flexible joints are simplified by a pseudo-rigid-body model. In addition, the hydrodynamics of the head and tail are analyzed using the simplified Morison equation and quasi-steady wing theory, respectively. Furthermore, to determine unknown hydrodynamic parameters in the dynamic model, a parameter identification method is applied. The results show that the identified simulation speeds fit the experimental speeds well within a wide range of stiffness values. Finally, to improve performance, the influence of joint stiffness and frequency on swimming speed is investigated based on the identified dynamic model. At each frequency, the optimal joint stiffness distribution is one that reduces the stiffness from the front to the rear. At the maximum driving frequency of 2.5 Hz, the optimal swimming speed is 0.3 body lengths per second, higher than that when rigid joints are used.

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