[論文レビュー] Physical Interaction and Manipulation of the Environment using Aerial Robots

Azarakhsh Keipour|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2022

Robotic Path Planning Algorithms被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、変形可能な物体を含む環境との正確な物理的相互作用を可能にする、フルアクチュエートなマルチローター向けのリアルタイム制御系を提示する。本研究では、ロボットが即座に利用可能な全力および全モーメントを推定する手法を導入し、制御性能を向上させるとともに、従来は実現不可能とされていた現実可能な操作タスクを可能にする。

ABSTRACT

The physical interaction of aerial robots with their environment has countless potential applications and is an emerging area with many open challenges. Fully-actuated multirotors have been introduced to tackle some of these challenges. They provide complete control over position and orientation and eliminate the need for attaching a multi-DoF manipulation arm to the robot. However, there are many open problems before they can be used in real-world applications. Researchers have introduced some methods for physical interaction in limited settings. Their experiments primarily use prototype-level software without an efficient path to integration with real-world applications. We describe a new cost-effective solution for integrating these robots with the existing software and hardware flight systems for real-world applications and expand it to physical interaction applications. On the other hand, the existing control approaches for fully-actuated robots assume conservative limits for the thrusts and moments available to the robot. Using conservative assumptions for these already-inefficient robots makes their interactions even less optimal and may even result in many feasible physical interaction applications becoming infeasible. This work proposes a real-time method for estimating the complete set of instantaneously available forces and moments that robots can use to optimize their physical interaction performance. Finally, many real-world applications where aerial robots can improve the existing manual solutions deal with deformable objects. However, the perception and planning for their manipulation is still challenging. This research explores how aerial physical interaction can be extended to deformable objects. It provides a detection method suitable for manipulating deformable one-dimensional objects and introduces a new perspective on planning the manipulation of these objects.

研究の動機と目的

• 現行のフライトシステムと統合可能なコスト効率の良い制御系の開発。
• フルアクチュエートなマルチローターにおける、保守的であるとされる推力およびモーメントの仮定の非効率性の解消。
• ケーブルやロープなどの変形可能な1次元物体との物理的相互作用の実現。
• 3次元空間における変形可能な物体の航空アーム操作の可能性と計画要件の調査。
• プロトタイプ段階の研究と実用的応用の間のギャップを埋める。

提案手法

• フルアクチュエートなマルチローターが即座に利用可能な全力および全モーメントをリアルタイムで推定するアルゴリズムの提案。
• 新規の入力マッピング行列を用いて、制御入力をロボットの動力学から分離する制御系設計の導入。
• マルチローターの幾何学的モデルを用い、ローターの幾何構造と回転速度に基づいて、個々のローターからの推力およびモーメント寄与を計算。
• エンドエフェクタの相互作用に対応するため、外部のレンチ（力とモーメント）を含むシステムモデルを拡張して制御系を適応化。
• 搭載センサを用いた、変形可能な1次元物体の検出および追跡のためのセンシング手法の開発。
• 物体の動力学、エンドエフェクタの精度、3次元空間における必要なレンチを考慮した、新たな計画アプローチの導入。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フルアクチュエートなマルチローターは、リアルタイムでの力およびモーメントの正確な推定によって、最適な物理的相互作用性能をどのように達成できるか？
• RQ2 既存のフライトソフトウェareおよびハードウェアシステムとシームレスに統合可能な制御アーキテクチャは何か？
• RQ3 航空ロボットは、ケーブルやロープなどの変形可能な1次元物体を効果的に操作できるか？
• RQ4 3次元空間における変形可能な物体の航空アーム操作において、主な動力学的および運動学的制約は何か？
• RQ5 航空ロボットによる変形可能な物体の信頼性の高い操作を実現するための、必要なセンシングおよび計画戦略は何か？

主な発見

• 提案されたリアルタイム力およびモーメント推定手法により、保守的仮定よりも効率的かつ現実的な物理的相互作用が可能になった。
• 制御系設計は、既存のフライトシステムと正常に統合され、フルアクチュエートなマルチローターの現実世界における操作タスクへの展開が可能となった。
• 1次元の変形可能な物体の検出および追跡手法は、動的環境下でも信頼性の高い性能を達成した。
• 物体の動力学モデルと正確なレンチ推定を用いた計画により、剛体仮定に比べて操作成功確率が著しく向上した。
• 本システムは、ケーブル操作や変形構造体との相互作用を含む、シミュレーションおよび現実世界のシナリオにおいて実現可能性を示した。
• 本研究は、現実環境における複雑で柔軟な素材の自律的航空アーム操作の今後の研究基盤を確立した。