[論文レビュー] Aerial Manipulation Using Hybrid Force and Position NMPC Applied to Aerial Writing

Dimos Tzoumanikas, Felix Graule+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2020

Robotic Path Planning Algorithms被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ロボットアームを装備したアンダーアクチュエーテッド・マイクロエアリアルビークル（MAV）を用いた空中操作のための非線形モデル予測制御（NMPC）フレームワークを提示する。ハイブリッド力・位置制御戦略を採用し、MAVとアームのダイナミクスを統合的に制御することで、リアルタイムでミリメートル精度の空中書込みを実現した。本手法は、多様な軌道および文字サイズにおいて、サブセンチメートルレベルのエンドエフェクタートラッキングを達成した。

ABSTRACT

Aerial manipulation aims at combining the manoeuvrability of aerial vehicles with the manipulation capabilities of robotic arms. This, however, comes at the cost of the additional control complexity due to the coupling of the dynamics of the two systems. In this paper we present a NMPC specifically designed for MAVs equipped with a robotic arm. We formulate a hybrid control model for the combined MAV-arm system which incorporates interaction forces acting on the end effector. We explain the practical implementation of our algorithm and show extensive experimental results of our custom built system performing multiple aerial-writing tasks on a whiteboard, revealing accuracy in the order of millimetres.

研究の動機と目的

• 空中操作におけるMAVとロボットアームのダイナミクスの結合に起因する制御の複雑さに対処する。
• 非線形ダイナミクスとエンドエフェクタでの準静的接触力の両方を捉えるハイブリッド制御モデルを構築する。
• 自由飛行状態と接触状態の間の遷移を伴う高精度な空中書込みタスクを実現する。
• さまざまなMAV-アーム構成に適用可能な汎用的なNMPC定式化を用いて、リアルタイムでオンボード制御を達成する。
• ハードウェアの欠陥やセンサの制限にもかかわらず、エンドエフェクタートラッキングのサブセンチメートル精度を実現する。

提案手法

• 位置および力制約を用いてMAVとアームを統合的に制御するハイブリッド非線形モデル予測制御（NMPC）フレームワークを構築する。
• エンドエフェクタにおける準静的接触力をNMPCのコスト関数に組み込むことで、安定した接触タスクを可能にする。
• リアルタイムでの制御入力を計算するために、NMPC内に二次計画法（QP）ソルバを統合し、動的整合性を確保する。
• 位置、速度、加速度、ジャージャー制約を満たす軌道を生成するモーションプランナを実装し、トラッキング性能を向上させる。
• リアルタイムの局所化とフィードバックのため、ビジュアルインertシャル状態推定とモーションキャプチャを統合する。
• 完全なマルチボディ系の動的モデルを必要としない簡略化されたモデルベース制御アプローチを適用し、計算負荷を低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アンダーアクチュエーテッドMAVにロボットアームを装備した状況で、ハイブリッド力・位置NMPC戦略が安定的かつ高精度な空中操作を達成できるか。
• RQ2 自由飛行状態と接触状態の間の遷移において、システムのトラッキング精度はどの程度か。
• RQ3 軌道速度や文字サイズの変化に対して、システムの精度はどの程度維持されるか。
• RQ4 モデルの簡略化やセンサの不正確さ（例：Viconの遅延、キャリブレーション誤差）が制御性能に与える影響は何か。
• RQ5 低価格の市販部品を用いても、リアルタイムでオンボードに実装可能なNMPCコントローラーがサブセンチメートルレベルのエンドエフェクタートラッキングを達成できるか。

主な発見

• 全テスト軌道において、エンドエフェクタートラッキング誤差が[-10, 10] mmの範囲に安定して収束した。
• 10 cmから40 cmの文字サイズの範囲で、ミリメートルレベルの精度を維持した。スケーラビリティが確認された。
• エンドエフェクタの最大速度は27.5 cm/s、最大加速度は13.75 cm/s²に達したが、サブセンチメートルレベルの精度を維持した。
• 1回の実験で自由飛行状態と接触状態の間を複数回遷移するタスクを正常に実行した。
• WiFi遅延や遮蔽などの既知の制限を有するモーションキャプチャに依存しているにもかかわらず、機械的に不可能な構成が報告された場合でも、システムは頑健な性能を示した。
• 完全なマルチボディ系の動的モデルを必要としない簡略化された制御モデルでも、高精度なタスクが実現可能である。これは、接触ベースの精度を達成するにあたり、完全な動的整合性が必須ではないことを示唆している。