Snake Locomotion in Challenging Environments

Prosjektet utvikler nye forskningsresultater innen styringssystemer, informasjons- og kommunikasjonsteknologi for robotisert fremdrift i ukjente og utfordrende omgivelser. Inspirert av biologiske slanger har slangeroboter lange, slanke og fleksible kropper som kan gi robuste fremdriftsegenskaper i ethvert miljø. I tillegg har slangeroboter iboende evne til å manipulere objekter idet en slangerobot essensielt er en manipulatorarm som også har fremdriftsevne. SLICE-prosjektet vil utvikle nye metoder og verktøy for hindringsbasert fremdrift, og vil spesielt -Utvikle nye matematiske modeller for interaksjonen mellom slangeroboter og miljøet de beveger seg i. -Utvikle modellbaserte styringssystemer med tilbakekobling for hindringsbasert fremdrift. -Introdusere nye kraftmålingskapabiliteter for slangeroboter. -Eksperimentelt validere de teoretiske resultatene på fysiske slangeroboter. I tillegg arbeides det med slangeframdrift under vann, et forskningsområde der det så langt har blitt forsket relativt lite. Dette byr på flere unike utfordringer, ikke minst det at en undervannsslange kan bevege seg fritt i tre dimensjoner, og kan være både mer og mindre manøvrerbar enn ubåter av mer tradisjonelt design. Det er så langt publisert over 30 artikler i internasjonale tidsskrifter, bøker og konferanser basert på resultater som er helt eller delvis finansiert av prosjektet. I tillegg er boken «Snake Robots--Modelling, Mechatronics and Control» av P. Liljebäck, K.Y. Pettersen, Ø. Stavdahl og J.-T. Gravdahl, utgitt på Springer-Verlag. Forlaget skriver i forordet til boken: «Clearly Snake Robots by Pål Liljebäck, Kristin Y. Pettersen, Øyvind Stavdahl and Jan Tommy Gravdahl is going to be a much read, studied, and cited monograph in this particular field of robot development.» og «The monograph?s progress through the historical record for the field, the proofs and descriptions of fundamental snake robot principles and the practical demonstrations using robot prototypes will ensure this new entry to the Advances in Industrial Control series becomes a key reference and source text for snake-robot locomotion research and development. » Prosjektet har utviklet en slangerobotmodell/simulator for simulering av 3D bevegelse for slangeroboten KULKO med isotropisk friksjon, og hvor kontaktkrefter mellom hindringer og robot kan måles. Simulatoren har samme grensesnitt som KULKO og dette gjør det enkelt og skifte mellom testing i simulator og på KULKO. Modeller for 2D hindringsbasert fremdrift er også utviklet. Det har blitt utviklet et nytt rammeverk for styring av slangeroboter. Rammeverket er spesielt godt egnet til å spesifisere slangebevegelse i irregulære og krevende omgivelser, som er et hovedfokus i SLICE-prosjektet. Vi jobber nå med å utvikle nye styringsstrategier for slangebevegelse basert på dette rammeverket. Videre er det utviklet et nytt sensorsystem for måling av kontaktkrefter på en fysisk slangerobot. Måling av eksterne krefter på en slangerobot er en forutsetning for effektiv bevegelse i krevende miljøer. Sensorsystemet baserer seg på strekklappmålinger som gjennomføres på hver leddaksling i slangeroboten. Den store fordelen med dette systemet er at kontaktmålingene gjennomføres inne i selve roboten, noe som gjør det enkelt å gjøre roboten vanntett og mekanisk robust. Prosjektet har også utviklet en ny slangerobot hvor det nye kontaktsensorsystemet er integrert i hver leddmodul. Designet av roboten er ferdig, og robotens ulike komponenter er implementert og sammenstilt. Dette er verdens første slangerobot som både er vanntett (slik at den kan svømme under vann) og som samtidig kan måle eksterne kontaktkrefter (slik at den kan bevege seg i irregulære og krevende omgivelser). Vi planlegger å benytte slangeroboten til å undersøke eksperimentelt hvor godt styringsstrategiene vi utvikler fungerer i praksis. Prosjektleder holdt en semi-plenary presentation på IFAC Conference on Nonlinear Control 2013, og presenterte da forskningen innen slangerobotikk. Det er opprettet en webside på www.advancedrobotics.no som beskriver prosjektet, og det er i tillegg opprettet en youtube-kanal hvor prosjektresultater blir presentert: http://www.youtube.com/user/advancedrobots. Slangerobotforskningen er formidlet til et generelt publikum med spesielt fokus på barn og ungdom gjennom å bli presentert og demonstrert på Forskningstorget og Researchers night høsten 2013. Det er opprettet et samarbeid med "Centre for Interdisciplinary Research in Space" (CIRiS) ved NTNU Samfunnsforskning AS. På oppfordring fra Norsk Romsenter har samarbeidet resultert i et prosjekt finansiert av ESA/Norsk Romsenter angående en mulighetsstudie på slangeroboter i verdensrommet. Resultatene fra denne mulighetsstudiene har fått stor oppmerksomhet internasjonalt, og et utvalg av disse mediaoppslagene er samlet på http://robotnor.no/our-snake-robots-in-the-media/.

The use of future service and security robots in e.g. search & rescue, inspection, and fire fighting operations will rely on their ability to maintain mobility in unknown and challenging environments. Snake robots carry the potential of contributing signi ficantly in such applications with their long, slender and flexible body that can provide robust propulsion skills in virtually any environment. Object manipulation skills are inherently present since they are essentially locomoting manipulator arms. The development and control of a snake robot is a highly complex task due to its flexible body with many degrees of freedom, and the potential range of application for snake robots is thus still unrealized. Inspired by biological snakes; external objects and irregularities can be beneficial to a snake robot since they represent push-points that the robot can curl around in order to push its body forward - i.e. perform obstacle-aided locomotion (OAL). The term was coined by the SLICE partners, and this inheren tly robust form of locomotion has been a strategic research focus of the group over recent years. The SLICE project will develop new methods and tools for obstacle-aided snake robot locomotion that will significantly advance the state of the art within ro bot locomotion. To this end, the project will target the three critical R&D challenges; develop new mathematical models of the interaction between snake robots and the environment, develop model-based feedback control strategies for OAL with provable stab ility properties based on these models, and introduce new force sensing capabilities for snake robots to be able to realize the new control strategies. The methods will be experimentally validated on existing snake robots. A broad national and internation al collaboration network will be further expanded, and synergies will strengthen strategic NTNU/SINTEF priority programs within robotics. The project results will be disseminated both internationally and nationally.