Shape-based compliance control for snake robots

I serpenti robot sono una classe di meccanismi iper-ridondanti che appartiene alla robotica modulare. Grazie alla loro forma snella ed allungata e all'alto grado di ridondanza possono muoversi in ambienti complessi con elevata agilità. L'abilità di spostarsi, manipolare e adattarsi efficientemente ad una grande varietà di terreni li rende ideali per diverse applicazioni, come ad esempio attività di ricerca e soccorso, ispezione o ricognizione. I robot serpenti si muovono nello spazio modificando la propria forma, senza necessità di ulteriori dispositivi quali ruote od arti. Tali deformazioni, che consistono in movimenti ondulatori ciclici che generano uno spostamento dell'intero meccanismo, vengono definiti andature. La maggior parte di esse sono ispirate al mondo naturale, come lo strisciamento, il movimento laterale o il movimento a concertina, mentre altre sono create per applicazioni specifiche, come il rotolamento o l'arrampicamento. Un serpente robot con molti gradi di libertà deve essere capace di coordinare i propri giunti e reagire ad ostacoli in tempo reale per riuscire a muoversi efficacemente in ambienti complessi o non strutturati. Inoltre, aumentare la semplicità e ridurre il numero di controllori necessari alla locomozione alleggerise una struttura di controllo che potrebbe richiedere complessità per ulteriori attività specifiche. L'obiettivo di questa tesi è ottenere un comportamento autonomo cedevole che si adatti alla conformazione dell'ambiente in cui il robot si sta spostando, accrescendo le capacità di locomozione del serpente robot. Sfruttando la cedevolezza intrinseca del serpente robot utilizzato in questo lavoro, il SEA Snake, e utilizzando un controllo che combina cedevolezza attiva ad una struttura di coordinazione che ammette una decentralizzazione variabile del robot, si dimostra come tre andature possano essere modificate per ottenere una locomozione efficiente in ambienti complessi non noti a priori o non modellabili

Anisotropic body compliance facilitates robotic sidewinding in complex environments

Sidewinding, a locomotion strategy characterized by the coordination of lateral and vertical body undulations, is frequently observed in rattlesnakes and has been successfully reconstructed by limbless robotic systems for effective movement across diverse terrestrial terrains. However, the integration of compliant mechanisms into sidewinding limbless robots remains less explored, posing challenges for navigation in complex, rheologically diverse environments. Inspired by a notable control simplification via mechanical intelligence in lateral undulation, which offloads feedback control to passive body mechanics and interactions with the environment, we present an innovative design of a mechanically intelligent limbless robot for sidewinding. This robot features a decentralized bilateral cable actuation system that resembles organismal muscle actuation mechanisms. We develop a feedforward controller that incorporates programmable body compliance into the sidewinding gait template. Our experimental results highlight the emergence of mechanical intelligence when the robot is equipped with an appropriate level of body compliance. This allows the robot to 1) locomote more energetically efficiently, as evidenced by a reduced cost of transport, and 2) navigate through terrain heterogeneities, all achieved in an open-loop manner, without the need for environmental awareness

An Adaptable Robotic Snake using a Compliant Actuated Tensegrity Structure for Locomotion and its Motion Pattern Analysis

The thesis explores the possibilities that using a compliant actuated tensegrity structure to build an adapted robotic snake for locomotion. With the development of modern society, people are relying more and more on robots to assist in their work. The robotic snake is a type of robot that is often used in exploration and relief work on complex terrain due to its unique bionic structure. However, traditional snake-like robots have structures that focus on specific snake-like movement patterns, but cannot actually simulate how the spine and muscles of a snake can work, thus losing out on desirable features such as high energy efficiency and flexibility. In this work, a tensegrity structure is researched to enable a robotic snake to realize the structure and capabilities of a snake. A prototype has been built for experiments: three segments connected by springs and strings which forms a tension network. The prototype is actuated by the change of the tension within the network, just as the muscles in a snake contract and stretch around the spine. Experiments with the prototype show that it can carry out effective rectilinear movement and steering movement on a variety of terrain, and its overall speed is mainly limited by the friction coefficient of the ground. However, because the underside of the body module prevents the module from tilting, the prototype cannot perform serpentine movement. More improvements in the shape design of the body modules and motion control could also be studied in future work