CarbonFish -- A Bistable Underactuated Compliant Fish Robot capable of High Frequency Undulation

📄 arXiv: 2311.03223v2 📥 PDF

作者: Zechen Xiong, Zihan Guo, Mark Liu, Jialong Ning, Hod Lipson

分类: cs.RO

发布日期: 2023-11-06 (更新: 2024-10-13)

💡 一句话要点

提出CarbonFish以实现高频率的水下波动运动

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 水下机器人 发夹机制 碳纤维材料 高频波动 软体机器人 水下运动 生物启发设计

📋 核心要点

  1. 现有的软体机器人在刚性和灵活性之间难以取得平衡，限制了其在水下运动中的应用。
  2. 论文提出了一种基于发夹机制的鱼形机器人CarbonFish，旨在实现高频率的波动运动以提高水下运动效率。
  3. 实验结果显示，CarbonFish的波动频率接近10 Hz，具有优于其他生物启发型水生机器人和真实鱼类的潜力。

📝 摘要（中文）

本研究提出了一种名为CarbonFish的鱼形机器人，基于创新的发夹机制（HCM），旨在实现高频率的波动运动。与传统的软体机器人相比，HCM展现出更高的刚性、灵活性和可重复性。我们探索了使用碳纤维增强塑料（CFRP）作为基础材料的可行性，并提供了详细的设计和制造方案。初步实验表明，CarbonFish的波动频率接近10 Hz，显示出其在水下运动中的潜力，超越了其他生物启发的水生实体。

🔬 方法详解

问题定义：本研究旨在解决现有软体机器人在水下运动中刚性与灵活性不足的问题，限制了其性能和应用场景。

核心思路：通过引入发夹机制（HCM），设计出一种新型的鱼形机器人CarbonFish，利用碳纤维增强塑料（CFRP）作为材料，以实现高频率的波动运动。

技术框架：整体架构包括设计阶段、材料选择、制造过程和性能测试。设计阶段基于数学原理，确保机器人在水中能够高效运动。

关键创新：CarbonFish的核心创新在于其使用的HCM结构，相较于传统软体机器人，提供了更高的刚性和可控性，能够实现更快的波动频率。

关键设计：在设计中，重点考虑了HCM的几何形状、材料特性和驱动机制，确保其在水中运动时的稳定性和灵活性。

📊 实验亮点

实验结果表明，CarbonFish的波动频率接近10 Hz，显示出其在水下运动中的优越性能。与其他生物启发型水生机器人相比，CarbonFish在运动效率和灵活性上具有显著提升，展示了其作为新一代水下机器人的潜力。

🎯 应用场景

CarbonFish的设计和实现为水下机器人技术的发展提供了新的思路，具有广泛的应用潜力，如水下探测、环境监测和水生生物研究等。未来，该技术可能推动更高效的水下运动系统的开发，提升水下操作的灵活性和效率。

📄 摘要（原文）

The Hair Clip Mechanism HCM represents an innovative in plane prestressed bistable mechanism, as delineated in our preceding studies, devised to augment the functional prowess of soft robotics. When juxtaposed with conventional soft and compliant robotic systems, HCMs exhibit pronounced rigidity, augmented mobility, reproducible repeatability, and an effective design and fabrication paradigm. In this research, we investigate the feasibility of utilizing carbon fiber reinforced plastic CFRP as the foundational material for an HCM based fish robot, herein referred to as CarbonFish. Our objective centers on realizing high frequency undulatory motion, thereby laying the groundwork for accelerated aquatic locomotion in subsequent models. We proffer an exhaustive design and fabrication schema underpinned by mathematical principles. Preliminary evaluations of our single actuated CarbonFish have evidenced an undulation frequency approaching 10 Hz, suggesting its potential to outperform other biologically inspired aquatic entities as well as real fish.