Enhancing Sliding Performance with Aerial Robots: Analysis and Solutions for Non-Actuated Multi-Wheel Configurations

要約

空中ロボットによって実行される滑走作業は、非破壊検査や塗装など、高所での検査や簡単なメンテナンス作業に役立ちます。
このような作業にはさまざまなエンドエフェクタ設計が使用されていますが、滑り運動のための回転機能、機械的単純さ、軽量設計のおかげで、非作動ホイール構成がより頻繁に適用されます。
さらに、エンドエフェクター設計の非作動マルチホイール (複数のホイール) 構成により、用途に合わせてエンドエフェクター先端の中央にセンサーやツールなどの追加機器を配置することができます。
しかし、このようなエンドエフェクター設計を備えた航空機ロボットを使用した滑走時の重要な接触条件については、まだ研究が不足しています。
この記事では、物理実験に基づいた詳細な分析を通じて、複数の非作動車輪を備えた空中ロボットを使用したスライド操作に関連する主な課題を調査します。
実験データは、現実世界の状況を厳密に捕捉するシミュレーターを作成するために使用されます。
航空機ロボットの摺動性能を向上させるためのソリューションを機構設計と制御の両面からご提案します。
機械的な観点から見ると、設計ガイドラインは実験データから導き出されます。
制御の観点からは、スライディング操作中でも信頼性の高いタスクの実行を保証する、新しい圧力感知ベースの制御フレームワークを導入します。
次に、特に高リスクのシナリオにおいて、構築されたシミュレーターを使用して、提案されたアプローチの有効性と堅牢性が検証および比較されます。

要約(オリジナル)

Sliding tasks performed by aerial robots are valuable for inspection and simple maintenance tasks at height, such as non-destructive testing and painting. Although various end-effector designs have been used for such tasks, non-actuated wheel configurations are more frequently applied thanks to their rolling capability for sliding motion, mechanical simplicity, and lightweight design. Moreover, a non-actuated multi-wheel (more than one wheel) configuration in the end-effector design allows the placement of additional equipment e.g., sensors and tools in the center of the end-effector tip for applications. However, there is still a lack of studies on crucial contact conditions during sliding using aerial robots with such an end-effector design. In this article, we investigate the key challenges associated with sliding operations using aerial robots equipped with multiple non-actuated wheels through in-depth analysis grounded in physical experiments. The experimental data is used to create a simulator that closely captures real-world conditions. We propose solutions from both mechanical design and control perspectives to improve the sliding performance of aerial robots. From a mechanical standpoint, design guidelines are derived from experimental data. From a control perspective, we introduce a novel pressure-sensing-based control framework that ensures reliable task execution, even during sliding maneuvers. The effectiveness and robustness of the proposed approaches are then validated and compared using the built simulator, particularly in high-risk scenarios.

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