[論文レビュー] AeCoM: Design, Modeling and Control of a Novel Aerial Continuum Manipulator.

Rui Peng, Zehao Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2021

Soft Robotics and Applications参考文献 43被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、ドローンと統合された3Dプリントされたケーブル駆動ソフトアームを備えた、新たな飛行用連続的マニピュレータであるAeCoMを提案する。変動する荷重下での運動精度を向上させるためにIMUを統合し、ケーブルの緩みを防ぐための張力に基づく閉ループ制御を採用することで、AeCoMは剛体飛行マニピュレータに比べ、優れた先端位置決め精度と荷重適合性を達成し、ごみの多い環境でも優れた性能を示している。

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.

研究の動機と目的

• 複雑な環境下における従来の剛体飛行マニピュレータの運動の自由度と荷重容量の制限を解決すること。
• 飛行中に変動する先端荷重によって引き起こされる連続的マニピュレータの運動学的不正確さを是正すること。
• 動的飛行マニピュレーションタスク中にケーブルの緩みを防止し、信頼性の高い形状制御を確保すること。
• 正確な飛行把持とマニピュレーションを可能にするために、先端位置決め精度を向上させること。
• マルチコプターとソフトでケーブル駆動のアームを統合した軽量で統合されたシステムを開発し、運用の多様性を向上させること。

提案手法

• マルチコプターに統合可能な軽量で3Dプリントされたケーブル駆動の連続的ロボットアームを設計する。
• アームの構成を推定し、変動する先端荷重下でのPCC（区分的定曲率）運動学的モデルの精度を向上させるために、慣性計測装置（IMU）を統合する。
• 運動中にケーブルの緩みを防ぐために、張力を能動的に制御する張力に基づく閉ループ制御システムを実装する。
• 区分的定曲率（PCC）モデリングを運動学的基盤とし、リアルタイムのIMUフィードバックで精度を向上させる。
• ドローンの飛行とアーム駆動を同期させる制御アーキテクチャを開発し、統合された飛行マニピュレーションを実現する。
• 異なる先端荷重条件の下で実験的検証を行い、運動学的正確性と位置決め性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 飛行作業中の変動する先端荷重下で、ケーブル駆動の連続的マニピュレータの運動学的不正確さはどのように低減できるか？
• RQ2 IMUは飛行用連続的マニピュレータにおけるPCCベースの運動学的モデリングの正確さをどの程度向上できるか？
• RQ3 張力に基づく閉ループ制御システムは、複雑な飛行マニピュレーションタスク中にケーブルの緩みを効果的に防止できるか？
• RQ4 AeCoMシステムは、従来の剛体飛行マニピュレータと比較して、荷重容量と運動の自由度の面でどの程度優れているか？
• RQ5 AeCoMシステムは、現実の飛行把持シナリオにおいて、どの程度の先端位置決め精度を達成できるか？

主な発見

• AeCoMシステムは、PCCモデリングとリアルタイムのIMUフィードバックを融合させることで、異なる先端荷重条件下でも高い運動学的正確性を維持している。
• 張力に基づく閉ループ制御は、動的運動中にケーブルの緩みを効果的に防止し、一貫性があり信頼性の高い形状制御を確保している。
• 従来の飛行用剛体マニピュレータに比べ、AeCoMシステムは先端位置決め精度が向上しており、正確な飛行把持が可能である。
• 軽量で3Dプリントされた連続的アームとマルチコプターの統合により、相対的な荷重容量と運動の自由度が向上している。
• 実験結果から、システムの頑健性と有効性が確認され、ごみの多い環境でも従来の剛体マニピュレータを上回るマニピュレーション性能を示している。
• AeCoMシステムは、制限付きまたは非構造的な環境で高い運動の自由度と適合性を必要とする応用分野において、強く有望な可能性を示している。