[論文レビュー] Design and Control of an Aerial Manipulator for Contact-based Inspection

Varun Nayak, Christos Papachristos+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2018

Robot Manipulation and Learning参考文献 16被引用数 10

ひとこと要約

本論文では、DJI Matrice 100 マルチローターに搭載された軽量な3自由度RRR空中マニピュレータを用いて、制御された接触を伴う非破壊検査（NDT）のための検査を提示する。滑らかな自由飛行から接触への移行スキームを有する能動的制御ベースのPD制御器を採用し、表面検査中に安定した法線力の制御を実現するとともに、システムの非線形性を保持し、制御入力制限および動的擾乱下でも安定性を確保する。

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.

研究の動機と目的

• 外部力がマルチローター機体を不安定化させる空中マニピュレータを用いた安定した接触ベースの検査の課題に対処する。
• NDT作業に十分な器用性と作業空間を有する軽量で3自由度RRR直列マニピュレータを設計する。
• 接触中に安定した法線力の制御を実現する制御戦略を開発し、システムの非線形性を保持する。
• チャタリングや不安定性を引き起こさないよう、自由飛行から接触領域への滑らかな移行を実現する。
• VICONとROSを用いたリアルタイム実装を可能にするハードウェアおよびソフトウェアフレームワークを統合する。

提案手法

• 接触によるモーメントを安定化させるために、DJI Matrice 100 マルチローター上に3自由度RRR直列マニピュレータを上部構造として設計した。
• 外部力およびモーメントを含む、接触状態における空中マニピュレータの平面的動的モデルを定式化した。
• 内在するシステムの非線形性を保持し、誤差がゼロに収束することを保証する能動的制御ベースのPD制御器を適用した。
• 力がしきい値を超えた際に接触を検出するスミットトライガを用いた移行スキームを開発し、姿勢および力の条件を満たした場合にのみ接触制御を開始するようにした。
• Intel NUC（ROS用）、Arduino Nano（サーボおよび力センサ制御用）およびVICONを用いたハードウェアスタックを統合し、高精度な局所化とフィードバックを実現した。
• MPCベースのマルチローター制御と逆運動学を用いて、検査中のハイレベルな協調制御を実現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 軽量な空中マニピュレータは、NDT検査中に表面との安定した力制御接触をどのように達成できるか？
• RQ2 システムの非線形性および制御入力制限が存在する中で、接触力誤差の安定性と収束を保証する制御戦略は何か？
• RQ3 チャタリングや不安定性を誘発せずに、自由飛行から接触への滑らかな移行をどのように実現できるか？
• RQ4 ベースが固定されておらず、外部力が反応的である場合の空中マニピュレーションにおける主な動的および制御的課題は何か？
• RQ5 マルチローター上にマニピュレータを配置することにより、システムの安定性および接触時の必要推力にどのような影響が生じるか？

主な発見

• 能動的制御ベースのPD制御器は、シミュレーションにおいて法線力を所望のリファレンスに安定して制御し、追従誤差がゼロに収束することを確認した。
• スミットトライガを用いた接触検出により、自由飛行から接触への移行が滑らかに実現され、チャタリングを回避し、安定した制御開始が可能となった。
• 初期ピッチ角が0.05 rad未満の場合、推力が増加する必要があり、初期姿勢に敏感であることが示された。
• 初期ピッチレートが顕著な影響を及ぼした：負の値は最大の推力要件を引き起こし、制御された接触開始の必要性を示唆した。
• 3自由度RRR設計は、NDT検査に十分な器用性と作業空間を提供したが、並列機構はより高速な運動学的追従性を提供できる可能性がある。
• ROS、VICON、Arduino Nanoを用いたハードウェア実装により、リアルタイム制御および力フィードバックが可能となり、制御フレームワークの実現可能性が検証された。