[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种名为AeCoM的新颖飞行连续体机械臂，将3D打印的肌腱驱动软性机械臂与四旋翼飞行器集成，以增强空中操作能力。通过结合惯性测量单元（IMU）以在不同负载下提升运动学精度，并采用张力反馈的闭环控制以防止肌腱松弛，AeCoM在复杂环境中展现出优于刚性空中机械臂的末端定位精度和负载适应能力。

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.

研究动机与目标

• 解决传统刚性空中机械臂在复杂环境中灵活性不足与负载能力有限的问题。
• 克服飞行过程中因末端负载变化导致的连续体机械臂运动学不准确问题。
• 在动态空中操作任务中防止肌腱松弛，确保可靠的形状控制。
• 提升末端定位精度，实现精确的空中抓取与操作。
• 开发一种轻量化、一体化系统，将四旋翼飞行器与软性肌腱驱动机械臂结合，以提升操作灵活性。

提出的方法

• 设计一种轻量化、3D打印的肌腱驱动连续体机器人手臂，用于与四旋翼飞行器集成。
• 集成惯性测量单元（IMU），以估算机械臂构型，并在不同末端负载下提升PCC（分段恒曲率）运动学建模的准确性。
• 实施基于张力的闭环控制系统，主动调节肌腱张力，防止运动过程中的松弛。
• 以分段恒曲率（PCC）建模为基础，结合实时IMU反馈，提升运动学建模精度。
• 开发一种控制架构，实现四旋翼飞行与机械臂驱动的同步，实现协调的空中操作。
• 在不同末端负载条件下开展实验验证，评估运动学精度与定位性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在空中操作过程中，如何减少因末端负载变化导致的肌腱驱动连续体机械臂的运动学不准确？
• RQ2 IMU在飞行连续体机械臂中能在多大程度上提升基于PCC的运动学建模精度？
• RQ3 基于张力的闭环控制系统是否能有效防止复杂空中操作任务中的肌腱松弛？
• RQ4 AeCoM系统与传统刚性空中机械臂相比，在负载能力与运动灵巧性方面有何差异？
• RQ5 AeCoM系统在真实空中抓取场景中可实现的末端定位精度如何？

主要发现

• 通过融合PCC建模与实时IMU反馈，AeCoM系统在不同末端负载条件下均能保持高运动学精度。
• 基于张力的闭环控制系统有效防止了肌腱松弛，确保了动态机动过程中的稳定可靠形状控制。
• 与传统刚性空中机械臂相比，该系统在末端定位精度方面表现更优，支持精确的空中抓取。
• 将轻量化3D打印连续体机械臂与四旋翼飞行器集成，显著提升了相对负载能力与运动灵巧性。
• 实验结果证实了系统在复杂环境中的鲁棒性与有效性，其在操作任务中优于传统刚性机械臂。
• AeCoM系统在受限或非结构化环境中对高灵巧性与适应性要求的应用中展现出巨大潜力。