A bioinspired approach to the locomotion of robots

The objective of this thesis is the development of innovative methods to address the challenges of underwater locomotion. The majority of autonomous underwater vehicles (AUVs) are propelled by thrusters, characterized by low energy efficiency and high noise pollution, whereas many fishes are efficient and agile swimmers that outperform AUVs. Therefore, this research is imprinted to the creation of new knowledge about aquatic propulsion by adopting a bioinspired approach. Nature displays a wide variety of swimming strategies, and this thesis is focused on the locomotion of the cownose ray since it is featured by the best combination of efficiency and maneuverability among fishes. In order to understand the underlying principles of its swimming strategy, a CFD model of cownose ray swimming has been developed. This model solves the coupled equations of fluid dynamics and forward swimming dynamics of the fish using an overset mesh. This analysis confirmed the results present in literature about the swimming performances of the cownose ray and the vortex structures in the flow. In addition, it relates the swimming performances with the kinematic parameters of the fin movement, and a novel way to calculate the energy efficiency of fish swimming is proposed. Then, a biomimetic robot inspired by the cownose ray was designed and realized to provide an innovative example of underwater locomotion. Experimental tests on the fins of a prototype of the robot have shown that the locomotion principle of this fish is a valid source of inspiration for underwater vehicles but also highlighted some limitations of the first version of the robot. Nevertheless, they have been overcome in a new version in which the fins and the electronic circuit have been completely redesigned. The dynamics of the robot have been simulated, and a control algorithm for forward swimming and maneuvers has been proposed.

L’obiettivo di questa tesi è lo sviluppo di metodi innovativi per affrontare le sfide della locomozione subacquea. La maggioranza dei veicoli autonomi subacquei (AUV) è azionata da propulsori a elica, caratterizzati da una bassa efficienza energetica e da un elevato inquinamento acustico, mentre molti pesci nuotano con agilità, efficienza e migliori prestazioni rispetto agli AUV. Perciò questa ricerca è improntata alla creazione di nuova conoscenza a proposito della propulsione acquatica tramite l’adozione di un approccio bioispirato. La natura mostra un’ampia varietà di strategie di nuoto e questa tesi è focalizzata sulla locomozione della razza cownose (Rhinoptera Bonasus), poiché presenta la miglior combinazione tra efficienza e manovrabilità tra tutti i pesci. Per capire i principi alla base della sua strategia di nuoto è stato sviluppato un modello CFD che risolve le equazioni accoppiate della fluidodinamica e della dinamica del nuoto rettilineo del pesce, usando una mesh di tipo overset. Questa analisi ha confermato i risultati presenti in letteratura riguardo alle prestazioni natatorie della razza cownose e alle strutture di vortici presenti nel flusso. In aggiunta, essa ha messo in relazione le sue prestazioni natatorie con i parametri cinematici del movimento delle pinne ed è stato proposto un modo innovativo per calcolare l’efficienza energetica del nuoto di un pesce. In seguito, un robot biomimetico ispirato alla razza cownose è stato progettato e realizzato con lo scopo di fornire un esempio innovativo di locomozione subacquea. Le prove sperimentali sulle pinne di un prototipo del robot hanno dimostrato che il principio di locomozione di questo pesce è una valida fonte di ispirazione per i veicoli subacquei, ma hanno anche evidenziato alcuni limiti della prima versione del robot. Tuttavia, questi ultimi sono stati superati in una nuova versione in cui le pinne e il circuito elettronico sono stati completamente riprogettati. La dinamica del robot è stata simulata e un algoritmo di controllo per il nuoto rettilineo e per le manovre è stato implementato.