[论文解读] Design Iterations for Passive Aerial Manipulator

B. V. Vidyadhara, Lima Agnel Tony+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2021

Robotic Path Planning Algorithms参考文献 11被引用 4

一句话总结

本文提出一种轻量化、低功耗的被动式空中抓取器，配备单自由度的吊篮式末端执行器，用于拦截运动目标，例如质量达150克、直径达20厘米的球体。该系统采用创新的空中展开式螺旋桨保护罩，提升无人机安全性，并通过六旋翼平台的原型制作与实地测试得到验证，系统采用模块化、低功耗组件。

ABSTRACT

Grabbing a manoeuvring target using drones is a challenging problem. This paper presents the design, development, and prototyping of a novel aerial manipulator for target interception. It is a single Degree of Freedom (DoF) manipulator with passive basket-type end-effector. The proposed design is energy efficient, light weight and suitable for aerial grabbing applications. The detailed design of the proposed manipulation mechanism and a novel in-flight extending propeller guard, is reported in this paper.

研究动机与目标

• 设计并制作一种轻量化、低功耗的空中抓取器，用于在动态环境中拦截运动目标。
• 解决目标拦截过程中带来的安全挑战，特别是碰撞导致的螺旋桨损坏问题。
• 开发一种被动式、低功耗的末端执行器，可可靠抓取最大直径20厘米的球形物体。
• 集成一种新型空中展开式螺旋桨保护罩机构，可在操作过程中展开，保护无人机。
• 确保整个系统在起飞和着陆时保持在120×120×50厘米的体积内，以保证操作紧凑性。

提出的方法

• 末端执行器采用无主动驱动的被动式吊篮机构，通过互锁的叉状结构捕获球形目标，降低功耗。
• 经过多轮设计迭代，包括主动互锁夹爪与被动式吊篮原型，以优化重量、强度与抓取可靠性。
• 抓取机械臂采用碳纤维与铝材制造，可伸展至1.1米，安装于六旋翼无人机（M600）上，并配备三个反向电机以平衡力矩。
• 采用3D打印支架与碳纤维导轨设计可伸展的螺旋桨保护罩，通过连续旋转伺服电机驱动，在飞行中展开。
• 系统集成DJI A3 Pro自动驾驶仪，配备三重冗余GPS，以及Nvidia Jetson TX2用于机载计算，Arduino Mega用于执行器控制。
• 在IISc机场进行实地测试，以验证性能，并根据观察到的故障与低效问题进行调整。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一种被动式、低功耗的空中抓取器，以可靠拦截质量达150克、直径达20厘米的运动目标？
• RQ2 何种机械设计可实现在飞行中安全展开螺旋桨保护罩，同时不损害无人机的稳定性或机动性？
• RQ3 末端执行器的结构与几何设计如何影响抓取成功率与系统占地面积？
• RQ4 在轻量化空中抓取机械臂中，材料选择、重量与刚性之间的权衡关系如何？
• RQ5 如何开发一种模块化、低功耗、紧凑的空中抓取系统，适用于水果采摘或反无人机任务等多种应用？

主要发现

• 最终的被动式吊篮型末端执行器成功捕获了质量达150克、直径达20厘米的目标，且功耗极低。
• 空中展开式螺旋桨保护罩提供了足够的间隙，有效保护了螺旋桨在拦截过程中的安全。
• 实地测试证实系统在轻度风扰下仍具鲁棒性，并展示了可靠的靶标拦截能力。
• 末端执行器采用碳纤维与桦木材料，具备足够强度，可承受多次释放循环。
• 设计迭代表明，叉状结构的几何形状与安装点位置显著影响抓取成功率，提示存在进一步优化空间。
• 压电传感器被识别为当前基于限位开关的抓取检测系统更具能效的替代方案。