Modelling and control of a snake-like robot with passive wheels

Snakes pervade the whole earth, and its various forms of exercise and physical characteristics adapt it to a wide range of natural environment. Snake-like robots have the potential of contributing mainly in areas such as rescue missions, fire-fighting and maintenance where it may either be too narrow or too dangerous for personnel to operate. In this thesis, a 3D model based on a multibody logic is developed for the representation of a snake-like robot with passive wheels. Since the model is based on the stick condition of the contact points while the real robot was found to slip during experiments, model validation is made from the assessment of some particular behaviors related to the stick condition discovered during simulations. In the end, a new control strategy is proposed for the tracking trajectory control of the position of the head that has its strength in the simplicity of the structure and the low feed-back information required. Simulation results show that this control strategy is effective for the control of the robot in stick condition. The proposed control logic is theoretically adaptable to changes in the reference trajectory during the motion so that further improvement on trajectory planning can be made and used with the same control strategy, e.g. adaptation to terrain conditions and obstacle avoidance, that are some of the most important issues for this kind of robots.

I serpenti sono presenti in molte zone del nostro pianeta grazie alla loro capacità di adattarsi a diversi tipi di condizioni ambientali. Gli snake-like robot possono contribuire principalmente in aree quali missioni di soccorso, antincendio e manutenzione dove l'intervento dell'uomo potrebbe non essere possibile perché troppo pericoloso o angusto. In questa tesi viene sviluppato un modello multibody 3D per la simulazione di uno snake-like robot con ruote passive. Nel modello viene imposta la condizione di non strisciamento dei punti di contatto del robot con la superficie mentre si è visto che il robot reale usato negli esperimenti non rispetta questa condizione. Per questo motivo, la validazione del modello è stata eseguita attraverso la verifica di alcuni comportamenti particolari scoperti in fase di simulazione. Infine è stata proposta una nuova strategia di controllo per l'inseguimento di una traiettoria sulla posizione della testa del robot che ha la sua forza nella semplicità dello schema di controllo e nel contenuto numero di informazioni necessarie in tempo reale. In simulazione è stato verificato che tale controllo è efficace nel caso in cui la condizione di non strisciamento venga rispettata. La logica di controllo proposta si può adattare a cambiamenti in tempo reale della traiettoria di riferimento. È quindi possibile applicare strategie di pianificazione della traiettoria che possano adattarsi alle condizioni del terreno ed evitare eventuali ostacoli, che sono alcune delle caratteristiche più importanti per questi tipi di robot.