BEATLE – Self-Reconfigurable Aerial Robot: Design, Control and Experimental Validation

要約

モジュール式自己再構成ロボット (MSRR) は、各タスクに適したさまざまな構造を構築することで、タスクの柔軟性を強化します。
しかし、車輪を備えた従来の地上用 MSRR は、各モジュールにかかる高いレンチ負荷による建設可能な構造のサイズやシステムの堅牢性の制限など、重大な課題に直面しています。
この作品では、飛行中に合体・分離が可能な航空MSRR（A-MSRR）システム「BEATLE」を紹介します。
BEATLE は、隣接するモジュールにレンチ荷重を加えずに結合できるため、従来の地上 MSRR の拡張性と堅牢性が拡張されます。
本稿では、BEATLEの機構設計、多重接続飛行のための制御フレームワーク、再構成動作のためのモーションプランナーなどのシステム構成を提案します。
ドッキング機構とハウジング構造の設計は、構築された構造の耐久性と分離の容易さのバランスをとることを目的としています。
さらに、提案した飛行制御フレームワークは、コンタクトレンチ制御に基づいて安定した多重接続飛行を実現します。
さらに、提案された有限状態機械 (FSM) に基づく動作プランナは、正確でロバストな再構成動作を実現します。
また、プロトタイプの実際の実装を紹介し、提案されたシステム設計の堅牢性と拡張性を実験とシミュレーション研究を通じて検証します。

要約(オリジナル)

Modular self-reconfigurable robots (MSRRs) offer enhanced task flexibility by constructing various structures suitable for each task. However, conventional terrestrial MSRRs equipped with wheels face critical challenges, including limitations in the size of constructible structures and system robustness due to elevated wrench loads applied to each module. In this work, we introduce an Aerial MSRR (A-MSRR) system named BEATLE, capable of merging and separating in-flight. BEATLE can merge without applying wrench loads to adjacent modules, thereby expanding the scalability and robustness of conventional terrestrial MSRRs. In this article, we propose a system configuration for BEATLE, including mechanical design, a control framework for multi-connected flight, and a motion planner for reconfiguration motion. The design of a docking mechanism and housing structure aims to balance the durability of the constructed structure with ease of separation. Furthermore, the proposed flight control framework achieves stable multi-connected flight based on contact wrench control. Moreover, the proposed motion planner based on a finite state machine (FSM) achieves precise and robust reconfiguration motion. We also introduce the actual implementation of the prototype and validate the robustness and scalability of the proposed system design through experiments and simulation studies.

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