[论文解读] 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 10

一句话总结

本文提出一种轻量化3-DoF RRR无人机机械臂，安装于DJI Matrice 100四旋翼飞行器上，通过受控接触实现无损检测（NDT）检测。采用基于无源性的PD控制器，并结合平滑的自由飞行至接触过渡方案，可在表面检测过程中实现稳定的法向力调节，同时保留系统非线性特性，并在执行器极限和动态干扰下确保稳定性。

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.

研究动机与目标

• 解决空中机械臂在外部力作用下导致多旋翼平台失稳的稳定接触检测挑战。
• 设计一种轻量化、3-DoF RRR串联机械臂，具备足够的灵巧工作空间以满足NDT任务需求。
• 开发一种控制策略，确保在接触过程中实现稳定的法向力调节，同时保留系统非线性特性。
• 实现从自由飞行到接触状态的平滑过渡，防止颤振和不稳定现象。
• 集成软硬件框架，利用VICON和ROS实现实时控制。

提出的方法

• 在DJI Matrice 100四旋翼飞行器顶部设计并安装3-DoF RRR串联机械臂，以稳定接触引起的力矩。
• 建立机械臂在接触状态下的平面动力学模型，包含外部作用力与力矩。
• 应用基于无源性的PD控制器，保留系统固有的非线性特性，并确保误差收敛至零。
• 开发一种基于施密特触发器的过渡方案，当接触力超过阈值时检测接触，并仅在位姿和力条件满足时启动接触控制。
• 集成硬件系统，采用Intel NUC（ROS）、Arduino Nano（伺服与力传感器控制）以及VICON，实现高精度定位与反馈。
• 采用基于MPC的四旋翼控制与逆运动学方法，实现检测过程中的高层协调。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何使轻量化空中机械臂在NDT检测过程中实现稳定、力反馈调节的表面接触？
• RQ2 何种控制策略可确保在系统非线性特性和执行器极限下，接触力误差的稳定与收敛？
• RQ3 如何实现从自由飞行到接触状态的平滑过渡，而不会引发颤振或不稳定现象？
• RQ4 当基座非固定且外部力为反作用力时，空中操作中的关键动力学与控制挑战是什么？
• RQ5 将机械臂安装于四旋翼顶部对系统稳定性及接触时所需推力有何影响？

主要发现

• 基于无源性的PD控制器在仿真中成功将法向力调节至期望参考值，确保跟踪误差收敛至零。
• 基于施密特触发器的接触检测实现了从自由飞行到接触的平滑过渡，避免了颤振，并确保了稳定控制的启动。
• 当初始俯仰角低于0.05 rad时，系统需要增加推力，表明对初始姿态的稳定性敏感。
• 初始俯仰速率具有显著影响：负值导致最大推力需求，表明需要对接触启动过程进行控制。
• 3-DoF RRR设计为NDT检测提供了足够的灵巧性与工作空间，尽管并联机构可能具备更快的运动学跟踪性能。
• 基于ROS、VICON和Arduino Nano的硬件实现支持实时控制与力反馈，验证了控制框架的可行性。