[논문 리뷰] Design Iterations for Passive Aerial Manipulator

B. V. Vidyadhara, Lima Agnel Tony외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 16.

Robotic Path Planning Algorithms참고 문헌 11인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 이동하는 목표물을, 예를 들어 150g 이하이고 지름 20cm 이내인 공을 잡기 위해 단일 자유도의バス켓형 종단 효과기를 갖춘 경량이며 에너지 효율적인 수동 항공 기구를 제안한다. 시스템은 드론의 안전을 위한 비행 중 연장 가능한 프로펠러 가림막을 특징으로 하며, 모듈식 저전력 부품을 사용한 헥사코pter 플랫폼에서 프로토타이핑 및 현장 테스트를 통해 검증되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 동적 환경에서 이동하는 목표물을 간섭하기 위한 경량이며 에너지 효율적인 항공 기구의 설계 및 프로토타이핑.
• 특히 충돌로 인한 프로펠러 손상 문제를 해결하기 위해 간섭 시 안전 문제에 대응.
• 지름 20cm 이내의 구형 물체를 신뢰성 있게 캐치할 수 있는 수동적이고 저전력 종단 효과기 개발.
• 기구 작동 중에 전개되는 신개념의 비행 중 연장 가능한 프로펠러 가림막 메커니즘 통합으로 드론을 보호.
• 비행 및 착륙 시 전체 시스템이 120×120×50 cm 이내에 유지되어 운영의 협소함 확보.

제안 방법

• 수동적 버스켓형 메커니즘과 상호 잠금되는 쐐기형 지지대를 사용하여 구형 목표물을 액추에이터 없이 캐치함으로써 전력 소비 감소.
• 무게, 강도, 캐치 신뢰성 최적화를 위해 활성 상호 잠금 클램프 및 수동 버스켓 프로토타입을 포함한 여러 설계 반복 수행.
• 탄소섬유와 알루미늄으로 제작된 기구 암은 1.1m의 연장 가능하며, 모멘트를 보정하기 위해 3개의 반대 모터를 장착한 헥사코pter(M600)에 장착.
• 3D 프린팅된 스탠드오프와 탄소섬유 가이드 로드를 사용해 연장 가능한 프로펠러 가림막을 설계하였으며, 연속 회전 서보를 통해 비행 중 전개.
• DJI A3 Pro 자율 비행 장치를 통합하여 삼중 복구 GPS를 제공하고, Nvidia Jetson TX2를 사용해 차량 내 계산을 수행하며, Arduino Mega는 액추에이터 제어에 사용.
• 성능 검증을 위해 IISc 항공장에서 현장 테스트를 실시하였으며, 관찰된 실패 사례와 비효율성에 기반한 조정 조치를 취함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최대 150g 이하이고 지름 20cm 이내의 이동 목표물을 신뢰성 있게 간섭 및 캐치할 수 있는 수동적이고 저전력 항공 기구는 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 드론의 안정성이나 조작성에 영향을 주지 않으면서도 비행 중에 프로펠러 가림막을 안전하게 전개할 수 있는 기계적 설계는 무엇인가?
• RQ3 종단 효과기의 구조적 및 기하학적 선택이 캐치 성공률과 기구의 면적에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 경량 항공 기구 암에서 재료 선택, 무게, 강성 사이의 상호 교환 관계는 무엇인가?
• RQ5 다양한 응용 분야(예: 과일 수확, 드론 방지 임무 등)에 적합한 모듈식, 에너지 효율적이고 소형의 항공 캐치 시스템은 어떻게 개발할 수 있는가?

주요 결과

• 최종 수동 버스켓형 종단 효과기는 최대 150g 이하이고 지름 20cm 이내의 목표물을 매우 낮은 에너지 소비로 성공적으로 캐치하였다.
• 비행 중 연장 가능한 프로펠러 가림막은 충분한 간격을 확보하였고 간섭 시도 중 프로펠러를 보호하였다.
• 현장 테스트를 통해 약간의 바람 영향에도 불구하고 시스템의 견고성이 확인되었으며 목표물 간섭의 신뢰성이 입증되었다.
• 종단 효과기에서 탄소섬유와 버드나무 나무를 사용함으로써 반복적인 분리 사이클에 대한 충분한 강도를 확보하였다.
• 설계 반복 과정을 통해 쐐기 형상과 부착 지점 배치가 캐치 성공률에 상당한 영향을 미치는 것으로 밝혀졌으며, 최적화의 여지가 있음을 시사하였다.
• 피에조 전기 센서는 현재의 리미트 스위치 기반의 캐치 감지 시스템 대비 더 에너지 효율적인 대안으로 확인되었다.