Design and Experiments of a Bioinspired Aquatic Snake Robot

Aquatic snakes proved to be very good swimmers, capable of excel in maneuverability without lack in other performance, such as speed or energy efficiency. The aim of this project is to design an aquatic snake robot having such features created by using the biomimetic approach. The robot moves in two dimensions and is swimming on a plane slightly below the water surface. The snake robot was designed to be waterproof without the usage of any external cover, in order to have a smooth surface directly interacting with water, so to improve hydrodynamic performances. This thesis describes all the steps adopted to design and build the robot both from a mechanical and electronic prospective. To support the overall design process, the robot behaviour is simulated using a MLS-MPM plug-in code inside Unity. Simulation’s results are used to size the motors of the joints, to optimize the external shape of the robot and to evaluate the swimming performances with several combinations of parameters, such as frequency, amplitude and phase shift between joints. The robot was tested and it showed the capability to generate proper thrust, to perform steering maneuvers in the desired direction and to autonomously avoid obstacles. Finally, the experimental results of forward swimming were compared with the simulation’s ones, in order to detect an optimal region of suitable parameters that maximize the speed for this particular geometry.

I serpenti acquatici si sono dimostrati ottimi nuotatori, capaci di eccellere nella manovrabilità senza sacrificare altre prestazioni, come la velocità o l’efficienza energetica. L’obiettivo di questa tesi è progettare un robot serpente acquatico con tali caratteristiche, utilizzando un approccio biomimetico. Il robot si muove in due dimensioni e nuota su un piano leggermente al di sotto della superficie dell’acqua. Il serpente robot è stato progettato per essere impermeabile senza l’uso di coperture esterne, al fine di avere una superficie liscia in contatto diretto con l’acqua, con l’obiettivo di migliorare le prestazioni idrodinamiche. Questa tesi descrive tutti i passaggi adottati per progettare e costruire il robot sia dal punto di vista meccanico che elettronico. Per supportare l’intero processo di progettazione, il comportamento del robot viene simulato con l’aiuto di un plug-in di Unity che utilizza l’algoritmo MLS-MPM. I risultati della simulazione vengono utilizzati per dimensionare i motori dei giunti, ottimizzare la forma esterna del robot e valutare le prestazioni di nuoto con diverse combinazioni di parametri, come frequenza, ampiezza e sfasamento tra i moduli. Il robot è stato testato e ha dimostrato di essere in grado di generare la spinta adeguata, eseguire manovre di sterzata nella direzione desiderata e di evitare autonomamente gli ostacoli. Infine, i risultati sperimentali del nuoto lungo una traiettoria rettilinea sono stati confrontati con quelli della simulazione, al fine di individuare una regione ottimale di parametri idonei che massimizzino la velocità per questa particolare geometria.