Design modeling and control of a snake-like robot

Inspired from biological snakes, snake like robots are characterized by an extreme flexibility, thanks to their particular modular design and their redundancy, that allows to perform many different kinds of motions, like crawling, climbing and winding, as a real snake does. Therefore, these robots are very useful devices when dealing with hostile environments and narrow spaces, where human beings are often hardly capable to access and comfortably operate. Here presented work has been carried out at Tokyo Denki University, because this institution, already very familiar with snake robot technology, recently exhibit an interest in deepening this matter of study. Their new purpose in this field consists of developing a new version of a snake, aimed at the maintenance of cables located in the narrow spaces inside smart buildings. In this context, this thesis project is meant to be as an early development stage, so to move an initial step in direction of successfully achieving realization of above mentioned intent. Its topics are then several. First, to design and build a robot focusing on improving compactness and flexibility, without penalizing the locomotion velocity. Then, a mathematical model capable of well describing the behaviour of the robot is realized. Later on, some gaits are separately implemented both on the modelled and physical robot, that, once combined, help the snake in accomplishing all its tasks. Last, control side is taken into account in the experimentation of a feedback control on the real snake, with the aim of laying the groundwork for a completely autonomous system.

Ispirati ai serpenti biologici, gli snake robot sono dotati di un' eccellente flessibilità, grazie al loro particolare design modulare e alla loro ridondanza, la quale permette di realizzare diversi tipi di movimento, quali strisciare, scalare, avvolgersi, come un vero serpente. Perciò, questi robot, risultano essere dei dispositivi molto utili quando si ha a che fare con ambienti ostili e spazi stretti, ai quali è molto complicato per l'uomo accedervi e operarvici comodamente. Il lavoro qui presentato è stato portato avanti alla Tokio Denki University, perchè tale istituzione, già molto esperta della tecnologia riguardante gli snake robot, ha di recente maturato interesse nell'approfondire quest'ambito di studio. Il loro nuovo obiettivo in questo campo, consiste nello sviluppare una nuova versione del serpente, mirata alla manutenzione dei cavi presenti negli stretti spazi all'interno delle smart buildings. A tal proposito, questo progetto di tesi è pensato come un primo stadio di sviluppo, in modo da iniziare un percorso che porti al raggiungimento del suddetto scopo. I suoi argomenti sono quindi molteplici. Per primo, progettare e costruire un robot, incentrandosi nel miglioramento della compatezza e della flessibilità, senza penalizzarne la velocità di avanzamento. Successivamente, la realizzazione di un modello matematico che possa ben descrivere il comportamento del robot. In seguito, diverse andature sono state separatamente implementate, sia sul modello che sul robot vero e proprio, le quali, una volta combinate, possono essere d'aiuto allo snake robot nello svolgere tutte le sue funzioni. Infine, si è considerato anche il tema del controllo, sperimentando un controllo in feedback sul robot, con lo scopo di gettare le basi per realizzare in futuro un sistema completamente autonomo.