A Novel Center-of-Mass Displacing Aerial Manipulation Platform: Design, Modeling, and Control

要約

空中マニピュレーターは、接触ベースの産業用途に使用できます。この用途では、穴あけや研削などの基本的な作業では、多くの場合、重い工具や高負荷 (つまり、力とトルク) を処理するための空中プラットフォームが必要になります。
これらのタスクは、非水平面上で頻繁に実行されます。
現在のマルチローター プラットフォームは、ローターで定義された領域内に固定 CoM (質量中心) を持ち、通常、EE (エンドエフェクター) チップとシステムの CoM の間に大きなモーメント アームを示します。
この構成により、物理的相互作用中に不安定性が生じ、損傷が生じる可能性があります。
このレターでは、非水平面上でのツール操作に合わせた新しい航空機のシステム設計、モデリング、および制御について説明します。
このプラットフォームは、傾斜可能なバックローターを備えた H 型同軸オクトコプターの形状を採用しています。
自由飛行中に、ローターで定められた領域内の可動プレート上に重いコンポーネント (マニピュレーターやバッテリーなど) を運ぶことができます。
表面と対話するとき、プラットフォームは傾斜可能な背面ローターのおかげでシステムの向きを維持しながら、プレートを作業面に向かって積極的に移動させます。
これにより、CoM の位置がずれ、モーメント アームが減少します。
私たちは、構築された物理プロトタイプを厳密にキャプチャするシミュレーションを使用して、複雑でリスクの高い作業シナリオに対して提案されたコンセプトを検証します。
さらに、開発したシステムの自由飛行と押しタスクを評価するために、初期段階の物理実験が行われました。

要約(オリジナル)

Aerial manipulators can serve contact-based industrial applications, where fundamental tasks like drilling and grinding often necessitate aerial platforms to handle heavy tools and high loads (i.e., forces and torques). These tasks are frequently performed on non-horizontal surfaces. Current multirotor platforms, which have a fixed CoM (Center of Mass) within the rotor-defined area, typically exhibit a large moment arm between the EE (End-Effector) tip and the system’s CoM. This configuration can result in instability and potential damage during physical interactions. In this letter, we present the system design, modeling, and control of a novel aerial vehicle tailored to tool manipulation on non-horizontal surfaces. This platform adapts the form of an H-shaped coaxial octocopter with tiltable back rotors; it can carry heavy components (e.g., the manipulator and battery) on a movable plate within the rotor-defined area during free flight. When interacting with surfaces, the platform actively shifts the plate toward the work surface while preserving the system orientation thanks to the tiltable back rotors. This leads to a displaced CoM location and a reduced moment arm. We use simulations that closely capture the built physical prototype to validate our proposed concepts for complex and risky working scenarios. Moreover, early-stage physical experiments were conducted to evaluate the developed system for free flights and a pushing task.

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