Hyper-redundant mechanisms (HRMs), also known as snake-like robots, have been the target of a small but focused research push over the past four decades. Consisting of a simple kinematic chain with a large number of redundant degrees of freedom (DoF), they can act manipulators approximating the form and function of an elephant's trunk, or undulatory locomotors mimicking the motions of snakes, worms, and other creatures. Although past research on locomotion has largely restricted itself to land-based studies, hyper-redundant mechanisms are inherently well suited to aquatic propulsion. Their structural form allows them to directly mimic the swimming motions of anguilliform fish. Biological anguilliform swimmers are both maneuverable and extremely efficient, however, these properties hinge upon finely tuned body deformations. The current understanding of undulatory swimming does not provide a clear method to optimally define these deformations for a highly articulated system. The present study solves this issue by developing a scheme capable of producing optimal gaits for a hyper-redundant swimmer. The optimization process consists ofa self-propelled swimming model and a custom particle swarm algorithm. The proposed scheme is used to produce optimal gaits for efficient swimming over a range of different velocities and for high acceleration. Although the development of the gait generation process is an end in itself, the properties of the optimal swimming kinematics also provide insight on HRMs and undulatory swimming in a more general sense. Simple control strategies, key issues for design, and potential topics for future work are extracted from the results. / Les recherches précédentes on montrés que des mécanismes hyper-redondants (MHR)sont fortement adaptables en bougeant sur la terre. Cependant, leurs capacités pourraient aussi être étendues aux environnements aquatiques par la propulsion semblable à celle de l'anguille. Les nageurs anguilliforme naturels sont autant manuvrables qu'extrêmement efficaces. Cependant, ces propriétés dépendent de déformations très spécifiques du corps. La compréhension actuelle de la nage ondulatoire ne fournit pas de méthode claire ou de façon optimale afin de définir ces déformations pour un système fortement articulé. L'étude présentée ici résout cette question en développant un processus informatique capable de produire des démarches optimales pour un robot hyper-redondant nageant. Le processus est composé d'un modèle nageant et d'un algorithme d'essaim de particules faits sur mesure. Cette solution d'optimisation est utilisée pour produire des démarches efficaces pour la natation sur une gamme de vitesses différentes et pour la haute accélération. Bien que le développement du processus d'optimisation soit une fin en soi, les propriétés de la cinématique de la nage optimale fournis aussi un aperu sur les MHRs et sur la natation ondulatoire dans un sens plus général. Des stratégies de contrôle simples, des problèmes-clés pour le design, et des sujets potentiels pour le travail à venir sont extraits des résultats.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.114571 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Wiens, Alexander |
| Contributors | Meyer Nahon (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Master of Engineering (Department of Mechanical Engineering) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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