SimSerpent: A Physics-based Simulator for a Next Generation Snake Robot

Abstract

Boa, en neste generasjons sensordrevet slangerobot, er for tiden under utvikling ved Instituttet for teknisk kybernetikk (ITK) ved Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU). Som et resultat har det blitt gitt en masteroppgave for å forske på og utvikle en moderne slangerobotsimulator som kan hjelpe til med rask utviklingen av estimerings- og kontrollstrategier for Boa. Denne masteroppgaven går inn i utviklingsdelen av oppgaven og har som mål å presentere en fullverdig simulator sammen med resultater som beviser dens effektivitet.

Først presenterer oppgaven relevant bakgrunnsinformasjon om slangerobotforskning ved ITK samt grunnleggende teori om fysikkbaserte simulatorer. Deretter fortsetter oppgaven med å vise frem utviklingsprosessen til simulatoren, inkludert programvarespesifikasjon, valg av rammeverk og en detaljert forklaring av selve koden.

Videre viser oppgaven frem fire eksperimenter utført på slangerobotsimulatoren, der hvert eksperiment vurderer forskjellige aspekter ved simulatoren. Det første eksperimentet demonstrerer simulatorens allsidighet i å rekonfigurere slangeroboten på forskjellige måter. Det andre eksperimentet viser simulatorens evne til å nøyaktig simulere kollisjoner mellom objekter, og undersøker om resultatene overholder prinsippene om energisparing og fart. Det tredje eksperimentet viser frem slangerobotens evne til å generere sinusformede bevegelser både i nærvær og fravær av friksjon og diskuterer mulige årsaker til eksperimentets avvik fra den forventede teorien. Til slutt demonstrerer det fjerde eksperimentet robotens utnyttelse av kollisjonskrefter for å produsere fremdrift, som er et viktig konsept innen slangerobotforskning. Totalt sett presterte simulatoren godt og som forventet, med bare mindre problemer til stede på slutten.

Nøkkelord: Robotikk teknologi, Slange robotikk, Robotikk simulator og Fysikkmotor

Boa, a next-generation sensor-driven snake robot, is currently under development at the Department of Engineering Cybernetics (ITK) at the Norwegian University of Science and Technology (NTNU). As a result, an assignment has been issued to research and develop a contemporary snake robot simulator that can aid in the rapid development of state estimation and control strategies for Boa. This master thesis goes into the development part of the assignment and aims to present a fully-fledged simulator along with results demonstrating its efficacy.

To begin with, the thesis presents relevant background information about snake robot research at ITK as well as the foundational theory on physics-based simulators. Subsequently, the thesis proceeds to showcase the development process of the simulator, including software specification, choice of framework, and a detailed explanation of the code itself.

Moreover, the thesis showcases four experiments completed on the snake robot simulator, where each experiment assesses a different aspect of the simulator. The first experiment demonstrates the simulator’s versatility in reconfiguring the snake robot in various ways. The second experiment showcases the simulator’s ability to accurately simulate collisions between objects, examining whether the results adhere to energy conservation and momentum principles. The third experiment showcases the snake robot’s ability to generate sinusoidal movements both in the presence and absence of friction and discusses possible causes for the experiment’s deviation from the expected theory. Lastly, the fourth experiment demonstrates the robot’s utilization of collision forces to generate movement, a vital concept within snake robot research. Overall the simulator performed well and within expectations, with only minor issues present at the end.

Keywords: Robotics technology, Snake Robots, Robotic simulator, Physics Engines