Original title: Snake-like Robot Motion Planning in a Scene with Obstacles
Translated title: Snake-like Robot Motion Planning in a Scene with Obstacles
Authors: Shehadeh, Mhd Ali ; Farana, Radim (referee) ; Pluháček, Michal (referee) ; Kůdela, Jakub (advisor)
Document type: Doctoral theses
Year: 2026
Language: eng
Publisher: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract: [eng] [cze]
Tato disertační práce se zabývá plánováním pohybu a řízením hadovitých robotů v prostředích s vysokou hustotou překážek a bohatými kontaktními interakcemi. Namísto tradičního přístupu, který překážky chápe pouze jako omezení, je zde rozvíjen koncept lokomoce s pomocí překážek (Obstacle-Aided Locomotion, OAL): záměrné využívání a regulace kontaktů těla s prostředím za účelem zvýšení účinnosti pohonu, stability a celkové robustnosti. Příspěvky práce jsou trojího druhu. Zaprvé je OAL ukotveno v teoretickém a algoritmickém rámci, jenž kriticky zhodnocuje klasické i moderní metody plánování a identifikuje specifické výzvy spojené s pohybem podlouhlých, článkových mechanismů. Zadruhé je navržen a ověřen digitální dvojník a rámec Simulation-in-the-loop, (MATLAB a CoppeliaSim), který umožňuje přesné měření kontaktních sil a datově řízenou optimalizaci chůze. Optimalizátor založený na částicové roji (PSO) ladí parametry vlnového (serpenoidního) pohybu a vyvažuje postup vpřed s kontaktními silami tak, aby nalezl energeticky úsporné a dynamicky realizovatelné chování. Zatřetí je navržen hierarchický plánovač, který kombinuje globální vedení pomocí ohraničeného diagramu Voronoi s lokální optimalizací citlivou na kontakty, jež dokáže v případě výhodné konfigurace využít překážky jako oporu. Experimentální ověření v heterogenních simulovaných scénách ukazuje, že řízené interakce s překážkami zlepšují celkový výkon. Dále bylo prokázáno, že ohraničené Voronoi kostry mohou sloužit jako účinná globální opora pro plánování a využívání blízkých kontaktních interakcí. Závěr práce tvoří diskuse o omezeních a nástin budoucích směrů výzkumu. This thesis investigates motion planning and control for snake-like robots operating in sparse, cluttered, and contact-rich environments. Departing from the conventional paradigm that treats obstacles solely as constraints, the work advances the concept of Obstacle-Aided Locomotion (OAL): deliberately regulating body–environment contacts to improve propulsion efficiency, stability, and robustness. Contributions are threefold. First, the thesis situates OAL within a rigorous theoretical and algorithmic framework, reviewing classical and modern planning methods and identifying the specific challenges posed by elongated, articulated bodies. Second, it develops a validated digital twin and Simulation-in-the-loop (SIL) framework (MATLAB and CoppeliaSim) that provides high-fidelity contact measurements and enables data-driven gait optimization. Using PSO to tune serpentine gait parameters, the SIL optimizer balances forward progress against contact forces to discover energy-efficient and wear-minimal trade-off. Third, the thesis proposes a hierarchical planner that couples a bounded Generalized Voronoi Diagram with a local, contact-aware optimizer that exploits nearby obstacles when beneficial. Experimental validation in heterogeneous simulated scenes demonstrates that controlled obstacle interactions improve performance. Moreover, bounded Voronoi skeletons can be used as an effective global backbones for exploitation of nearby contact opportunities. The thesis concludes with a discussion of limitations and outlines of future research directions.
Keywords: digitální dvojník; energeticky efektivní pohyb.; hadovití roboti; Lokomoce s pomocí překážek; optimalizace částicovým rojem; plánování pohybu; simulation-in-the-loop; zobecněný Voroného diagram; Digital Twin; Energy-Efficient Locomotion.; Generalized Voronoi Diagram; Motion Planning; Obstacle-Aided Locomotion; Particle Swarm Optimization; Simulation-in-the-Loop; Snake-like Robots

Institution: Brno University of Technology (web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library.
Original record: http://hdl.handle.net/11012/260587

Permalink: http://www.nusl.cz/ntk/nusl-778786


The record appears in these collections:
Universities and colleges > Public universities > Brno University of Technology
Academic theses (ETDs) > Doctoral theses