Trajectory and motion control of an aquatic snake robot

Research on snake robots, specifically those designed to operate in aquatic environments, is an emerging field of robotics and it offers numerous advantages, such as agility to move through tight spaces, adaptability to dynamic changes in the surrounding environment, minimal environmental impact, allowing sensitive ecosystems to be traversed without significant damage, high energy efficiency and precision in operations. These aspects are particularly useful for sensitive activities such as rescue operations or monitoring in areas affected by environmental disasters, or in areas where the ecosystem is fragile and at risk. This thesis presents the development and optimization of a control system for an aquatic snake robot, designed to navigate in complex and difficult-to-access environments. It consists of a modular structure of blocks of uniform size, and the movement is carried out by servomotors which allow rotation of the modules. This configuration allows a fluid and sinuous movement, emulating the locomotion of snakes. Thanks to this dynamic, the robot boasts excellent manoeuvrability in the aquatic environment. The objectives of this thesis are to develop a control algorithm to plan and control the trajectory of the robot and to implement a Central Pattern Generator (CPG) to generate the sinusoidal movement on the snake robot's body. To pursue these objectives it was necessary to improve the mechanical design of the head to include additional sensors and to perform an extensive experimental campaign to characterize the robot's movement for different kinematic parameters of the serpenoid curve. Tested in the bio-inspired engineering laboratory of the Politecnico di Milano and in Lake Lecco, the robot has shown how the developed control algorithm can significantly improve its operational capabilities.

La ricerca sui robot serpente, in particolare quelli progettati per operare in ambienti acquatici, è un campo emergente della robotica e offre numerosi vantaggi, come l'agilità nel muoversi attraverso spazi ristretti, l'adattabilità ai cambiamenti dinamici dell'ambiente circostante, il minimo impatto ambientale, che consente di attraversare ecosistemi sensibili senza causare danni significativi, un'elevata efficienza energetica e precisione nelle operazioni. Questi aspetti risultano particolarmente utili per attività delicate, come le operazioni di soccorso o il monitoraggio in aree colpite da disastri ambientali, o in zone in cui l'ecosistema è fragile e a rischio. Questa tesi presenta lo sviluppo e l'ottimizzazione di un sistema di controllo per un robot serpente acquatico, progettato per navigare in ambienti complessi e di difficile accesso. Esso è costituito da una struttura modulare composta da blocchi di dimensioni uniformi, e il movimento è realizzato mediante servomotori che consentono la rotazione dei moduli. Questa configurazione permette un movimento fluido e sinuoso, emulando la locomozione dei serpenti. Grazie a questa dinamica, il robot vanta un'eccellente manovrabilità nell'ambiente acquatico. Gli obiettivi di questa tesi sono lo sviluppo di un algoritmo di controllo per pianificare e gestire la traiettoria del robot e l'implementazione di un Central Pattern Generator (CPG) per generare il movimento sinusoidale del corpo del robot serpente. Per perseguire questi obiettivi, è stato necessario migliorare il design meccanico della testa per includere sensori aggiuntivi e condurre un'ampia campagna sperimentale per caratterizzare il movimento del robot in relazione ai diversi parametri cinematici della curva serpenoide. Testato nel laboratorio di ingegneria bio-ispirata del Politecnico di Milano e nel Lago di Lecco, il robot ha dimostrato come l’algoritmo di controllo sviluppato possa migliorare significativamente le sue capacità operative.