Bio-inspired flexible propeller analysis and test bench design

Bio-inspired robotics is a discipline that deals with the study and imitation of the behaviors that nature adopts to face different situations. In particular, this thesis is focused on the analysis of the movement that fishes implement to generate a thrust during the swim in order to create aquatic thrusters of biological inspiration. In recent years, the study of these topics is developing enormously because it allows to exploit the advantages that nature offers; translated into engineering terms, this means being able to achieve better performance than actual propellers. The other advantage is their maneuverability, since aquatic animals are able to perform large accelerations and changes of direction in a short time, which cannot be expected from current systems. Specifically, this work is focused on studying the movement of the caudal fin of fishes to realize silicone rubber propellers with different flexibility. The aim is to provide a tool to support the choice or the design of a fin for a bio-inspired robotic fish. In practice, it translates into the realization of a kinematic and dynamic model that allows to evaluate the behavior in terms of deformation and forces generated at different flapping frequency. In this work, a test bench has been designed where the propeller can be easily connected to a sliding system to evaluate the generated forward motion: it consists of a carriage with wheels that run on coated steel cables put under tension. It is a further tool to support the design of a bio-inspired thruster, as it allows to carry out a choice based on the performance assessed through the test bench.

La robotica bioispirata è una disciplina che si occupa dello studio e dell’imitazione dei comportamenti che la natura adotta per affrontare diverse situazioni. In particolare, questa tesi è focalizzata sull’analisi del movimento che i pesci attuano per generare una spinta durante la nuotata al fine di realizzare propulsori acquatici bioispirati. Negli ultimi anni, lo studio di questi argomenti si sta sviluppando enormemente perché permette di sfruttare i vantaggi che la natura offre; tradotto in termini ingegneristici, significa poter ottenere prestazioni migliori rispetto a quelle dei propulsori ad elica attuali. L’altro vantaggio è la loro manovrabilità, poiché gli animali acquatici sono in grado di eseguire grandi accelerazioni e cambi di direzione in breve tempo, cosa che non può essere richiesta ai sistemi attuali. Nello specifico, questo lavoro è incentrato sullo studio del movimento della pinna caudale dei pesci per poter realizzare propulsori in gomma siliconica con diversa rigidezza. L'obiettivo è quello di fornire uno strumento per supportare la scelta o la progettazione di una nuova pinna caudale per un pesce robotico bioispirato. Concretamente, si traduce nella realizzazione di un modello cinematico e dinamico che permetta di valutare il comportamento in termini di deformazione e di forze generate al variare della frequenza di attuazione. In questo lavoro, è stato progettato un banco prova dove il propulsore può essere collegato ad un sistema di scorrimento al fine di valutarne il moto di avanzamento generato: è costituito da un carrello con ruote che scorrono su cavi d'acciaio rivestiti messi in tensione. Si tratta di un ulteriore strumento di supporto per la progettazione di un propulsore di ispirazione biologica, poiché permette di effettuare una scelta basandosi sulle performance valutate attraverso il banco prova.