SNAKE - Control Strategies for Snake Robot Locomotion in Challenging Outdoor Environments

Fremtidige anvendelser av roboter til f.eks. søk og redning, inspeksjon og vedlikehold, brannslukking, med mer krever roboter som kan bevege seg i ukjente og krevende miljøer. Roboter er også viktige for å utforske andre planeter og månen, så vel som i forbindelse med drift av infrastruktur i verdensrommet. Slangeroboter har potensialet til å bidra betydelig i slike applikasjoner på grunn av deres lange, slanke og fleksible kropp som kan gi robuste fremdriftsevner i svært mange typer omgivelser. For å realisere dette potensialet, trenger imidlertid slangeroboter å kunne takle et bredt spekter av forskjellige miljøer. Fokus for SNAKE-prosjektet har vært slangerobotbevegelse i ukjente, krevende og realistiske omgivelser. Arbeidet har, med inspirasjon fra biologiske slanger i naturen, fokusere på bevegelse hvor slangeroboten aktivt dytter fra mot objekter og ujevnheter i sine omgivelser for å oppnå fremdrift. Dette kalles for 'hindringsbasert fremdrift' og har vært et aktivt forskningsfelt ved NTNU og SINTEF i flere år. Det overordnede målet med SNAKE var å realisere hindringsbasert slangerobotbevegelse i komplekse omgivelser. I SNAKE-prosjektet har vi møtt dette målet ved å produsere byggesteiner som kan brukes for realisere en slik bevegelse. Disse byggesteinene er blant annet 1) en grundig innledende litteraturgjennomgang som utgangspunkt for forskere og industri der vi fokuserer på sensordrevet hindringsbasert bevegelse - dvs. hvor en slangerobot kan bruke sensormålinger for å bedre utføre hindringsbasert bevegelse, 2) SnakeSIM - et simulatorrammeverk for simulering av slangeroboter med ulike sensorer i ulike miljøer der nye algoritmer lettere kan testes for å lette rask utvikling, 3) en modellerings- og styringsstrategier med et konsept kalt Virtual Functional Segmentation for å forenkle utformingen av nye styringsstrategier for slangeroboter i komplekse miljøer. Tilnærmingen gjør det mulig å fokusere mer på det overordnede målet med bevegelse av slangeroboter, snarere enn å måtte håndtere kompleksiteten i å kontrollere hver enkelt ledd på slangerobotene individuelt, og 4) lokal baneplanlegging for slangeroboter der vi har utviklet kriterier og et optimaliseringssystem for slangeroboter for å bestemme hvilken hindring (eller "push-point") som er best å bruke for å bevege seg mot ønsket mål. Disse byggesteinene kan påvirke både forskningsmiljøet så vel som industrien. SNAKE-prosjektet ble avsluttet i midten av 2019, men forskerne som er involvert og forskningsgruppene søker å fortsette på ferden mot fullt funksjonelle slangeroboter som kan komme industrien og samfunnet for øvrig til gode.

I SNAKE-prosjektet har vi tatt forskningsfeltet innen hindringsbasert fremdrift med slangeroboter videre og utviklet nye byggesteiner innen feltet. En mulig virkning av dette er at resultatene kan brukes - både innen forskning og innovasjon - for å utvikle hindringsbasert slangerobotfremdrift videre og komme nærmere kommersielt utnyttbare slangeroboter. Hvis kommersielle aktører velger å ta utgangspunkt i resultatene fra prosjektet så kan dette føre til nærmere samarbeid mellom FOU-miljøene og industrien. Synligheten med publisering på den internasjonale forskningsarenaen kan føre til økt internasjonalt forskningssamarbeid. En mulig langsiktig effekt er at resultater fra SNAKE blir en del av løsningen for å kunne realisere de mulighetene som ligger i å ta i bruk slangeroboter innen områder der slangeroboter har potensiale for å bidra - f.eks. innen beredskap, inspeksjon og vedlikehold og innen romfart (bl.a. utforske planeter).

The use of future service and security robots in e.g. search and rescue, pipe inspection, and firefighting operations will rely on their ability to maintain mobility in unknown and challenging environments. Snake robots carry the potential of contributing significantly in such applications due to their long, slender and flexible body that can provide robust propulsion skills in virtually any environment. However, practical applications of these mechanisms are still very limited since the research communities have so far focused primarily on control strategies for locomotion over flat surfaces. The SNAKE project targets research challenges imposed by snake robot locomotion in cluttered and "application-realistic" environments. Inspired by biological snakes, external objects and irregularities are considered beneficial since they represent push-points that the snake robot can curl around in order to push its body forward, i.e. perform 'obstacle-aided locomotion'. This inherently robust form of locomotion has been a strategic research focus at NTNU/SINTEF over the last years. The overall objective of SNAKE is to realize obstacle-aided locomotion in cluttered outdoor environments. The project will develop new control strategies for obstacle-aided locomotion with focus on environment adaptation and energy efficiency. The project will experimentally investigate the control approaches using a new and unique snake robot prototype recently developed by SNAKE researchers. The project will pursue collaborations with AMOS (a Norwegian Centre of Excellence) and the two upcoming EC projects TRACT and INACHUS, where SINTEF is a central partner. Project results will be disseminated both nationally and internationally.