[論文レビュー] Design Iterations for Passive Aerial Manipulator

B. V. Vidyadhara, Lima Agnel Tony+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2021

Robotic Path Planning Algorithms参考文献 11被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、150 g 以下、直径20 cm 以内の移動物体（例：ボール）を捕らえるために、1自由度のバスケット型エンドエフェクタを備えた軽量でエネルギー効率の高い受動的空中マニピュレータを提案する。本システムはドローンの安全性を高めるために、飛行中に展開する新規のプロペラガードを備えており、モジュラーで低消費電力の部品を用いたヘキサコプタープラットフォーム上でプロトタイピングと実地試験により検証されている。

ABSTRACT

Grabbing a manoeuvring target using drones is a challenging problem. This paper presents the design, development, and prototyping of a novel aerial manipulator for target interception. It is a single Degree of Freedom (DoF) manipulator with passive basket-type end-effector. The proposed design is energy efficient, light weight and suitable for aerial grabbing applications. The detailed design of the proposed manipulation mechanism and a novel in-flight extending propeller guard, is reported in this paper.

研究の動機と目的

• 動的環境下で動き回る標的を捕らえるために、軽量でエネルギー効率の高い空中マニピュレータの設計とプロトタイピングを行う。
• 特に衝突によるプロペラ損傷を防ぐために、標的捕らえの際の安全性に課題を解決する。
• 直径20 cm 以内の球体を確実に掴める受動的で低消費電力のエンドエフェクタを開発する。
• マニピュレーション中に展開する新規の飛行中展開式プロペラガード機構を統合し、ドローンを保護する。
• 離陸および着陸時におけるシステム全体が120×120×50 cm の体積内に収まるように、運用上のコンパクト性を確保する。

提案手法

• アクチュエータを必要としない受動的バスケット型メカニズムを採用し、互いに噛み合う突起を用いて球体標的を捕らえる。これにより、消費電力を低減する。
• 重量、強度、捕らえの信頼性の最適化を目的として、アクティブな噛み合わせクローと受動的バスケットのプロトタイプを含む、多数の設計反復を実施した。
• マニピュレータアームはカーボンファイバーとアルミ合金で構成され、1.1 m の延長を実現。ヘキサコプターフレーム（M600）に搭載され、モーメントバランスをとるために3つのカウンターモーターを装備。
• 3Dプリントされたスタンドオフとカーボンファイバー製ガイドロッドを用いて、連続回転サーボで駆動される展開式プロペラガードを設計。飛行中に展開される。
• ドローンの自律飛行制御にはDJI A3 Proを採用。GPSは三重冗長。搭載計算にはNvidia Jetson TX2を、アクチュエータ制御にはArduino Megaを統合。
• 性能検証のため、IIScの空港施設で実地試験を実施。観察された故障や非効率要因に基づき、調整を加えた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 150 g 以下、直径20 cm 以内の移動標的を確実に捕らえるために、受動的で低消費電力の空中マニピュレータをどのように設計できるか？
• RQ2 ドローンの安定性や機動性を損なわず、飛行中に安全に展開可能なプロペラガードの機械的設計はどのようなものか？
• RQ3 エンドエフェクタの構造的・幾何的選択が、捕らえ成功率とフットプリントに与える影響は何か？
• RQ4 軽量な空中マニピュレータアームにおいて、素材選定、重量、剛性の間のトレードオフは何か？
• RQ5 果物摘みや対ドローンミッションなど、多様な用途に適したモジュラーでエネルギー効率が高くコンパクトな空中クランプシステムをどのように開発できるか？

主な発見

• 最終段階の受動的バスケット型エンドエフェクタは、150 g 以下、20 cm 以内の標的を最小限のエネルギー消費で捕らえることに成功した。
• 飛行中に展開するプロペラガードは十分なクリアランスを確保し、標的捕らえの試行においてプロペラを保護した。
• 実地試験により、やや強い風の影響下でもシステムの耐障害性が確認され、標的の確実な捕らえが実証された。
• エンドエフェクタにカーボンファイバーとバーチ材を組み合わせたことで、繰り返しの分離サイクルに対しても十分な強度を発揮した。
• 設計反復の結果、突起の形状と取り付け位置の配置が捕らえ成功率に顕著な影響を及ぼすことが判明し、最適化の余地があることが示された。
• 圧電素子センサが、現在のリミットスイッチベースの捕らえ検出システムよりもエネルギー効率に優れている可能性が示された。