[논문 리뷰] AeCoM: Design, Modeling and Control of a Novel Aerial Continuum Manipulator.

Rui Peng, Zehao Wang외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 27.

Soft Robotics and Applications참고 문헌 43인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 3D 프린팅으로 제작한 테이던드라이브 소프트 암과 큐드로터를 통합하여 향상된 공중 조작 능력을 갖춘 새로운 비행 연속성 암인 AeCoM을 제안한다. 다양한 하중 조건에서도 정확한 운동학적 성능을 확보하기 위해 관성 측정 장치(IMU)를 도입하고, 테이던드 릴랙스를 방지하기 위해 힘 기반의 폐쇄 루프 제어를 구현함으로써, AeCoM은 경량 공중 조작 기구에 비해 뛰어난 터미널 위치 정확도와 적재 능력 적응성을 확보하였다. 복잡한 환경에서도 뛰어난 성능을 보였다.

ABSTRACT

Aerial robotic systems has raised emerging interests among researchers. In this paper, a novel aerial manipulation system: a flying continuum robotic manipulator (AeCoM) is first proposed, to the best of authors' knowledge. In the perspective of design, a lightweight tendon-driven continuum robotic arm (in 3D-printed material) is delicately coupled with a quadrotor. To address the problem of kinematics inaccuracy due to different tip loading, we introduce an attitude sensor (IMU) to assist in PCC (Piecewise Constant Curvature) configuration. To deal with frequent and complex aerial manipulation tasks, we deploy a tension-based closed-loop control method, which is used to avoid tendon-slacking in manipulating the shape of the continuum arm. Distinct from the conventional aerial rigid manipulators, the proposed system achieve more relative payload capability and motion dexterity. The system's experimental results validate the performance of tendon-slacking avoidance, kinematics accuracy with different tip loading, and tip positioning accuracy for aerial grasping. The comparison with conventional aerial manipulators, indicates that the proposed manipulator has better manipulation performance and more potential applications in the cluttered environment.

연구 동기 및 목표

• 복잡한 환경에서 전통적인 경량 공중 조작 기구의 기민성과 적재 능력의 한계를 해결한다.
• 비행 중 다양한 터미널 하중 조건에 의해 발생하는 연속성 암의 운동학적 정확도 저하 문제를 해결한다.
• 동적 공중 조작 작업 중 테이던드 릴랙스를 방지하기 위해 신뢰할 수 있는 형태 제어를 확보한다.
• 정밀한 공중 집게 및 조작을 위해 터미널 위치 정확도를 향상시킨다.
• 큐드로터와 소프트 테이던드라이브 암을 통합한 경량이고 통합된 시스템을 개발하여 운영의 다양성을 향상시킨다.

제안 방법

• 큐드로터에 통합하기 위한 경량 3D 프린팅 테이던드라이브 연속성 로봇 암을 설계한다.
• 다양한 터미널 하중 조건에서 암의 구성을 추정하고 PCC(조각별 일정 곡률) 운동학 모델링의 정확도를 향상시키기 위해 관성 측정 장치(IMU)를 통합한다.
• 운동 중 테이던드 릴랙스를 방지하기 위해 힘 기반 폐쇄 루프 제어 시스템을 구현한다.
• 조각별 일정 곡률(PCC) 모델링을 운동학 기초로 삼고, 실시간 IMU 피드백을 통해 정확도를 향상시킨다.
• 드론 비행과 암 구동을 동기화하는 제어 아키텍처를 개발하여 통합된 공중 조작을 구현한다.
• 다양한 터미널 하중 조건 하에서 실험적 검증을 수행하여 운동학 정확도와 위치 정확도 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비행 중 다양한 터미널 하중 조건에서 테이던드라이브 연속성 암의 운동학적 정확도 저하 문제를 어떻게 줄일 수 있는가?
• RQ2 IMU는 비행 연속성 암에서 PCC 기반 운동학 모델링의 정확도를 어느 정도 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 힘 기반 폐쇄 루프 제어 시스템은 복잡한 공중 조작 작업 중 테이던드 릴랙스를 효과적으로 방지할 수 있는가?
• RQ4 AeCoM 시스템은 기존의 경량 공중 조작 기구에 비해 적재 능력과 기민성 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 실제 공중 집게 시나리오에서 AeCoM 시스템의 터미널 위치 정확도는 어느 정도 달성 가능한가?

주요 결과

• AeCoM 시스템은 실시간 IMU 피드백과 PCC 모델링을 융합함으로써 다양한 터미널 하중 조건에서도 고정밀 운동학 정확도를 유지한다.
• 힘 기반 폐쇄 루프 제어 시스템은 동적 이동 중에도 테이던드 릴랙스를 효과적으로 방지하여 일관되고 신뢰할 수 있는 형태 제어를 보장한다.
• 기존의 공중 경량 조작 기구에 비해 향상된 터미널 위치 정확도를 보이며, 정밀한 공중 집게를 가능하게 한다.
• 경량 3D 프린팅 연속성 암과 큐드로터의 통합은 상대적인 적재 능력 향상과 기민성 향상을 이룬다.
• 실험 결과는 시스템이 혼잡한 환경에서도 뛰어난 내구성과 효과성을 보이며, 전통적인 경량 조작 기구를 초월하는 조작 성능을 입증한다.
• AeCoM 시스템은 제약적이거나 비정형 환경에서 고도의 기민성과 적응성을 요구하는 응용 분야에 큰 잠재력을 지닌다.