Design and prototyping of a bioinspired manta ray robot with flexible fins

This thesis explains the design process of bioinspired autonomous underwater vehicle. Through natural evolution, fishes have adapted their swimming strategies to obtain high performances in terms of speed, agility and efficiency. Bioinspired design is useful to develop novel solutions to underwater propulsion which overcome the limitations of screw propellers, which are commonly applied for navigation. The inspiration for this robot comes from the manta ray, as it is featured by very high maneuverability and efficiency with respect to other fishes. The robot replicates the characteristic movement of the manta ray while maintaining low dimensions and easiness of control. To achieve this result, the thrust is generated by the passive deformation of two pectoral fins attached to the frontal part of the central rigid body. One characteristic of this robot is the possibility to easily change the fins, so that several fin designs can be tested. In the rear part there are two rigid caudal fins used to control the stability of the robot. The electronic board Arduino controls the position of the digital servomotors which move the fins. The parameters and the data of the movement are easily accessible using a Wi-Fi connection. The geometry of the flexible fins and their stiffness distribution are tuned to obtain a movement as similar as possible to its natural counterpart. However, they are still not optimized, and the development of this robot makes it possible to explore this research field.

Questa tesi presenta il processo di progettazione di un veicolo subacqueo autonomo bioispirato. Attraverso l’evoluzione naturale, i pesci hanno adattato le loro strategie di nuoto per ottenere grandi prestazioni in termini di velocità, agilità ed efficienza. La progettazione bioispirata è utile per sviluppare nuove soluzioni per la propulsione sottomarina che superino le limitazioni della propulsione a elica, solitamente applicata per la navigazione. L’ispirazione per questo robot viene dalla manta, in quanto è dotata di manovrabilità ed efficienza molto alte in confronto agli altri pesci. Il robot imita il movimento caratteristico della manta mantenendo dimensioni ridotte e semplicità di controllo. Per ottenere questo risultato, la spinta è generata dalla deformazione passiva di due pinne pettorali collegate alla parte frontale del corpo rigido centrale. Una caratteristica di questo robot è la possibilità di cambiare facilmente le pinne, in modo tale che sia possibile testare diverse soluzioni progettuali. Nella parte posteriore ci sono due pinne caudali rigide usate per controllare la stabilità del robot. La scheda elettronica Arduino controlla la posizione dei servomotori digitali che muovono le pinne. I parametri e i dati del movimento sono facilmente accessibili usando una connessione Wi-Fi. La geometria delle pinne flessibili e la distribuzione della rigidezza sono regolate per ottenere un movimento più simile possibile alla loro controparte naturale. In ogni caso non sono ancora ottimizzate, e lo sviluppo di questo robot consente di esplorare questo campo di ricerca.