Structure design and coordinated motion analysis of bionic crocodile robot

要約

地球上で最も古く、最も回復力のある種の一つとして知られるワニは、陸上でも水中でも驚異的な運動能力を発揮し、多様な環境に適応するために数千年にわたって進化してきた。本論文では、ワニから着想を得て、多自由度と多関節体幹ジョイントを備えた高度にバイオミメティックなワニロボットを紹介する。この設計は、実際のワニに観察される構造的・運動的特性の包括的な分析に基づいている。バイオニックワニロボットには、動作中に四肢と胴体の協調性が損なわれるという問題があり、この問題を解決するために、ロボットの脚と脊柱の順運動学解析と逆運動学解析の両方にD-H法を適用している。一連のシミュレーション実験を通じて、ロボットの動作の安定性、耐障害性、環境への適応性を、脊柱と尾部が動作に関与する場合と関与しない場合の2つの運動パターンで調査した。実験の結果、バイオニックワニロボットは、脊椎と尻尾が四肢と協調する場合に優れた運動性能を示すことが実証された。この研究は、ロボット工学におけるバイオミミクリーの可能性を示すだけでなく、自然のデザインが我々の技術革新にどのように影響を与え、強化できるかを理解することの重要性を強調している。

要約(オリジナル)

Crocodiles, known as one of the oldest and most resilient species on Earth, have demonstrated remarkable locomotor abilities both on land and in water, evolving over millennia to adapt to diverse environments. In this paper, we draw inspiration from crocodiles and introduce a highly biomimetic crocodile robot equipped with multiple degrees of freedom and articulated trunk joints. This design is based on a comprehensive analysis of the structural and motion characteristics observed in real crocodiles. The bionic crocodile robot has the problem of limb-torso incoordination during movement, in order to solve this problem, we apply the D-H method for both forward and inverse kinematics analysis of the robot’s legs and spine. Through a series of simulation experiments, we investigate the robot’s stability of motion, fault tolerance, and adaptability to the environment in two motor pattern: with and without the involvement of the spine and tail in its movements. Experiment results demonstrate that the bionic crocodile robot exhibits superior motion performance when the spine and tail cooperate with the extremities. This research not only showcases the potential of biomimicry in robotics but also underscores the significance of understanding how nature’s designs can inform and enhance our technological innovations.

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