[논문 리뷰] Design and Control of an Aerial Manipulator for Contact-based Inspection

Varun Nayak, Christos Papachristos외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 11.

Robot Manipulation and Learning참고 문헌 16인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 DJI Matrice 100 미사일기에서 장착된 경량 3-DoF RRR 항공 기구를 사용하여 비파괴 검사(NDT) 점검을 위한 제어된 접촉을 수행한다. 안정적인 법선력 조절을 위해 비선형성을 유지하면서도 안정성을 확보하는 피아스티비티 기반 PD 제어기와 부드러운 비행에서 접촉으로의 전환 기법을 적용하였다. 이는 구동력 제한과 동적 외란 하에서도 안정성을 보장한다.

ABSTRACT

Manipulator dynamics, external forces and moments raise issues in stability and efficient control during aerial manipulation. Additionally, multirotor Micro Aerial Vehicles impose stringent limits on payload, actuation and system states. In view of these challenges, this work addressed the design and control of a 3-DoF serial aerial manipulator for contact inspection. A lightweight design with sufficient dexterous workspace for NDT (Non-Destructive Testing) inspection is presented. This operation requires the regulation of normal force on the inspected point. Contact dynamics have been discussed along with a simulation of the closed-loop dynamics during contact. The simulated controller preserves inherent system nonlinearities and uses a passivity approach to ensure the convergence of error to zero. A transition scheme from free-flight to contact was developed along with the hardware and software frameworks for implementation. This paper concludes with important drawbacks and prospects.

연구 동기 및 목표

• 외부 힘이 다중로터 플랫폼을 불안정하게 만들 수 있는 항공 기구를 이용한 안정적인 접촉 기반 점검에 도전한다.
• NDT 작업에 적합한 충분한 민첩성과 작업 영역을 갖춘 경량 3-DoF RRR 직렬 기구를 설계한다.
• 접촉 중에도 안정적인 법선력 조절을 보장하면서도 시스템의 비선형성을 유지하는 제어 전략을 개발한다.
• 진동이나 불안정성을 유발하지 않도록 비행에서 접촉으로의 전환을 부드럽게 구현한다.
• VICON과 ROS를 사용한 실시간 실행을 위한 하드웨어 및 소프트웨어 프레임워크를 통합한다.

제안 방법

• 접촉에 의해 발생하는 순간을 안정화하기 위해 DJI Matrice 100 미사일기 위에 3-DoF RRR 직렬 기구를 슈퍼스트럭처로 설계하였다.
• 외부 힘과 모멘트를 포함한 접촉 중 항공 기구의 평면 동적 모델을 수립하였다.
• 자체 비선형성을 유지하면서 오차 수렴을 보장하는 피아스티비티 기반 PD 제어기를 적용하였다.
• 임계값을 초과할 경우 힘을 감지하여 접촉을 탐지하고, 자세와 힘 조건이 충족될 때만 접촉 제어를 시작하는 슈미트 트리거를 사용한 전환 기법을 개발하였다.
• 실시간 제어 및 피드백을 위해 Intel NUC(ROS), Arduino Nano(서보 및 힘 센서 제어), VICON을 사용한 하드웨어 스택을 통합하였다.
• 고수준의 협동 제어를 위해 MPC 기반의 미사일기 제어 및 역기구학을 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 경량 항공 기구는 비파괴 검사 점검 중 표면과의 안정적이고 힘 조절된 접촉을 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ2 시스템의 비선형성과 구동력 제한이 존재하는 상황에서도 접촉력 오차의 안정성과 수렴을 보장하는 제어 전략은 무엇인가?
• RQ3 진동이나 불안정성을 유발하지 않고 비행에서 접촉으로의 전환을 어떻게 부드럽게 달성할 수 있는가?
• RQ4 기준이 고정되어 있지 않고 외부 힘이 반작용하는 상황에서 항공 기구 운동의 주요 동역학적 및 제어 과제는 무엇인가?
• RQ5 미사일기 상단에 기구를 배치할 경우 시스템 안정성과 접촉 시 필요한 추력에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 피아스티비티 기반 PD 제어기가 정규화된 법선력을 목표 기준치로 안정적으로 조절하였으며, 시뮬레이션에서 추적 오차가 0으로 수렴하는 것을 확인하였다.
• Schmitt 트리거 기반의 접촉 감지 기법을 통해 비행에서 접촉으로의 전환이 부드럽게 이루어졌고, 진동을 방지하고 안정적인 제어 시작을 보장하였다.
• 초기 경사각이 0.05 rad 이하일 경우 추력 요구량이 증가함을 확인하여, 안정적인 접촉을 위해 초깃세의 민감성이 있음을 시사하였다.
• 초기 경사률이 큰 영향을 미쳤으며, 음수 값일 경우 최악의 추력 요구량을 유발함을 확인하여, 제어 시작 시의 제어가 필요함을 시사하였다.
• 3-DoF RRR 설계는 NDT 점검에 적합한 충분한 민첩성과 작업 영역을 제공하였지만, 평행 기구는 더 빠른 운동학적 추적을 가능하게 할 수 있다.
• ROS, VICON, Arduino Nano를 사용한 하드웨어 구현은 실시간 제어 및 힘 피드백을 가능하게 하여 제어 프레임워크의 실현 가능성을 검증하였다.