Bachelor's Thesis

Snake-like Robot: Simulation and Implementation of a 7-Link Robot with Passive Wheels for Following Defined Trajectories

Final Thesis 2.57 MB Appendix 14.99 MB

Author of thesis: Stanislav Doubravský

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: prof. Ing. Radomil Matoušek, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Václav Jirsík, CSc.

Abstract:

This bachelor’s thesis deals with the design, simulation, and control of a seven-link snake-like robot with passive wheels capable of following defined trajectories. The thesis is based on the principles of biologically inspired undulatory locomotion described in earlier texts. On this basis, the thesis presents its own simulated model in the CoppeliaSim environment and subsequently proposes a feasible model for physical assembly. The motion generator in the simulated and real model is implemented using joint rotation control. Furthermore, two algorithms for trajectory tracking are proposed. The first of them is based on calculating the distance of the robot’s head from the trajectory and minimizing it using a PSD controller. The second consists of defining the trajectory with elementary movements, which allows easier deployment of simple trajectories in a real robot. The functionality of the proposed solutions is verified using sample trajectories, and their accuracy is compared between simulation and realization. The thesis also includes an experimental evaluation of energy consumption.

Keywords:

snake-like robot, undulatory locomotion, simulation, CoppeliaSim, motion generator, trajectory following

Date of defence

16.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student obhájil bakalářskou práci. Komise neměla žádné námitky k řešené práci. V průběhu odborné rozpravy odpověděl na dotazy: Oponenta: - První algoritmus sledování trajektorie (PSD) byl ověřen pouze v simulaci. Jaké konkrétní senzorické řešení byste navrhl pro získání dostatečně spolehlivé reálné polohy hlavy robota a jakou přesnost lze reálně očekávat? - Porovnání simulace a realizace je založeno na přibližném odhadu. Jak byste navrhl objektivní měření odchylky trajektorie a jaké řádové chyby byste u reálného robota očekával? - Jak by se podle Vás změnila přesnost sledování trajektorie a energetická spotřeba při jiném počtu článků robota než zvolených sedmi? Komise: - Jak vznikl problém se sumační složkou PSD regulátoru zmíněný s posudku oponenta a jak jste ho řešil? - Jakou veličinu řídíte pomocí samotné PSD regulace? - Jakou používáte baterii a jak jste měřil spotřebu robota? - Proč má robot kolečka a nekomplikují nakonec samotnou regulaci polohy? - Proč jste použil platformu ESP32? - Jaký je nejmenší poloměr otočení robota? - Jaký vliv na pohyb má povrch po kterém se robot pohybuje a zkoušel jste různé povrchy?

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Automation and Measurement (BPC-AMT)

Composition of Committee

doc. Ing. Radovan Hájovský, Ph.D. (předseda)
prof. Ing. Radomil Matoušek, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Zdeněk Havránek, Ph.D. (člen)
Ing. Radek Štohl, Ph.D. (člen)
Ing. Soběslav Valach (člen)
Ing. et Ing. Lukáš Zezula, Ph.D. (člen)

1. Hodnocení přístupu studenta k řešení úkolu: Excelentní spolupráce.

2. Hodnocení práce a naplnění cílů zadání
Předložená bakalářská práce se věnuje komplexnímu inženýrskému úkolu: návrhu, simulačnímu ověření a kompletní mechatronické realizaci mobilního robotického systému s undulační lokomocí. Student Stanislav Doubravský vytvořil funkční simulační model v prostředí CoppeliaSim a paralelně postavil fyzický prototyp 7-článkového hadího robota osazeného pasivními koly a sběrnicovými servomotory Waveshare ST3215. Pohybový aparát je řízen mikrokontrolerem ESP32-S3 a doplněn o ToF laserové snímače vzdálenosti a zakázkové webové rozhraní pro bezdrátové ovládání a telemetrii.

3. Technické připomínky a náměty k diskusi
Při obhajobě by mohla být komentována interpretaci parametrů serpenoidní křivky, offset, možnosti přesnějšího měření reálné trajektorie fyzického robota, či volba de facto PD regulátoru.

4. Závěr a návrh klasifikace
Zadání práce bylo naplněno ve všech bodech a v mnoha ohledech překročeno (webový server, FTP přístup do souborového systému LittleFS, ToF senzorika). Rozsah realizace, kdy student předkládá plně funkčního, 3D tištěného sedmičlánkového robota se stabilizovaným bateriovým napájením, je na úrovni bakalářského studia výjimečný. Experimentální verifikace na čtyřech typech reálných povrchů dává práci jasný inženýrský výstup.

Stanislav Doubravský odvedl excelentní inženýrskou práci, kterou jednoznačně doporučuji k obhajobě a navrhuji hodnocení: A (výborně) / 100 bodů Points proposed by supervisor: 100

Grade proposed by supervisor: A

Předložená bakalářská práce se zabývá návrhem, simulací a realizací sedmičlánkového hadího robota s pasivními koly schopného dopředného pohybu a sledování definovaných trajektorií.

Téma hodnotím jako nadprůměrně náročné - kombinuje teoretický rozbor undulační lokomoce, tvorbu simulačního modelu, mechanickou konstrukci, návrh elektroniky, vestavěný software i teorii řízení.

Zadání obsahuje osm bodů — od prostudování principů undulační lokomoce, přes vytvoření simulačního modelu v prostředí CoppeliaSim, implementaci generátoru pohybu a sledování trajektorií, návrh a stavbu fyzického prototypu s pasivními koly, návrh systému řízení, až po experimentální porovnání simulace s realizací a vytvoření posteru.

Práce postupuje logicky od teorie přes simulaci až k funkčnímu fyzickému prototypu a jeho ověření.

Za nadstandardní považuji skutečnost, že autor nezůstal pouze u simulace, ale vytvořil plně funkční hardwarový model včetně vlastní elektroniky (ESP32-S3, sériové sběrnicové servomotory ST3215), vestavěného firmware a webového rozhraní pro ovládání a monitorování.

Jádro práce tvoří dva samostatně navržené algoritmy sledování trajektorie. První je založen na analyticko-geometrickém výpočtu vzdálenosti hlavy robota od segmentu trajektorie (projekce bodu na vektor, Pythagorova věta) a jejím minimalizování diskrétním PSD regulátorem laděným metodou Ziegler-Nichols. Oceňuji, že autor kriticky reflektuje meze tohoto postupu — popisuje, proč klasicky vypočtené parametry vedou k chaotickému chování (nelinearita typu nasycení, trvale střídavá odchylka při kmitavém pohybu) a jak problém řeší tlumením sumační složky. Druhý algoritmus skládá trajektorii z elementárních pohybů, je jednodušší pro nasazení na reálném robotu a autor poctivě uvádí jeho omezení.

Práce je členěna přehledně a má dobrou grafickou úroveň; obrázky, schémata a tabulky vhodně doplňují text. Seznam literatury je aktuální a relevantní, kombinuje zakládající monografie oboru (Hirose; Liljebäck a kol.) s přehledovými články a řádně citovanou softwarovou a hardwarovou dokumentací.
Jazyková úroveň je celkově dobrá. V textu se ojediněle vyskytují gramatické nedostatky, zejména chyby ve shodě přísudku s podmětem (např. „byli vyzkoušeny“, „testovány byli trajektorie“) a drobné překlepy. Tyto nedostatky jsou kosmetické a nesnižují srozumitelnost ani odbornou hodnotu práce.

Bakalářská práce splňuje všechny body zadání a svým rozsahem i hloubkou je výrazně přesahuje. Autor prokázal schopnost samostatně propojit teorii, simulaci, mechanickou a elektronickou konstrukci, vestavěný software i teorii řízení do funkčního celku a uvedl ho do provozu.

Zkušební komisi navrhuji hodnocení A/96 bodů. Topics for thesis defence:
  1. 1. První algoritmus sledování trajektorie (PSD) byl ověřen pouze v simulaci. Jaké konkrétní senzorické řešení byste navrhl pro získání dostatečně spolehlivé reálné polohy hlavy robota a jakou přesnost lze reálně očekávat?
  2. 2. Porovnání simulace a realizace je založeno na přibližném odhadu. Jak byste navrhl objektivní měření odchylky trajektorie a jaké řádové chyby byste u reálného robota očekával?
  3. 3. Jak by se podle Vás změnila přesnost sledování trajektorie a energetická spotřeba při jiném počtu článků robota než zvolených sedmi?
Points proposed by reviewer: 96

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová