Development and Testing of a Biomimetic Ray Robot with Flexible Fins

This thesis describes the development of a bioinspired autonomous underwater vehicle. Through evolution, nature adapted the swimming strategies of fishes to obtain a motion with high performances in terms of speed, agility, and efficiency. Bioinspired design exploits and mimics these techniques to develop novel solutions to substitute the screw propellers used until now eventually. The robot on which this work is about is inspired by the manta ray, which, thanks to its high maneuverability and efficiency of motion, is one of the most appealing to mimic. This thesis is about the improvement of an already existing robot with flexible fins. The robot is completely revised, redesigning the external structure and changing the actuators to achieve better performance. The software is upgraded, including motions to achieve maneuvers, real-time estimation of the robot orientation, and an improved user interface. Experimental tests were performed to characterize the robot’s behavior and understand the effect of each fin movement on its orientation and the influence of different values of the motion parameters, both during rectilinear swimming and maneuvers. These tests have been carried out in a real environment, a lake with unknown disturbances. Finally, a control on the robot orientation is introduced, acting on pitch and yaw angles, which reduces the pitch oscillation and keeps the yaw constant during the motion.

Questa tesi descrive lo sviluppo di un veicolo autonomo sottomarino bioispirato. Attraverso l’evoluzione, la natura ha adattato le tecniche di nuoto dei pesci per ottenere un movimento con alte performance in velocità, agilità ed efficienza. Il design bioispirato sfrutta e imita queste tecniche per sviluppare nuove soluzioni che potranno sostituire le eliche usate fino ad oggi. Il robot su cui è basato questo lavoro prende ispirazione da una manta, che grazie alla sua alta manovrabilità ed efficienza di movimento è tra i più interessanti da imitare. Questa tesi tratta di come è stato migliorato un robot con pinne flessibili già esistente. Il design del robot è stato completamente rivisitato, riprogettando la struttura esterna e apportando modifiche agli attuatori per avere performance migliori. Il software è stato migliorato, includendo movimenti per fare manovre, una stima in tempo reale dell’orientazione e un’interfaccia utente migliorata. Test sperimentali sono stati fatti per caratterizzare il comportamento del robot, capendo l’effetto del movimento delle pinne sulla sua orientazione e vedendo l’influenza di diversi valori dei parametri del moto, sia durante il nuoto in linea retta che nelle manovre. Questi test sono stati fatti in un ambiente reale, un lago con disturbi incogniti. Infine, un controllo sull’orientazione viene introdotto, che, agendo sugli angoli di beccheggio e imbardata, permette di ridurre le oscillazioni presenti sul beccheggio e mantiene costante l’imbardata durante il moto.