Design, Control, and Motion Strategy of TRADY: Tilted-Rotor-Equipped Aerial Robot With Autonomous In-Flight Assembly and Disassembly Ability

要約

これまでの研究では、操縦性や操作性を向上させるために様々なタイプの空中ロボットが開発されてきた。しかし、機動性と操作能力の両立には課題があった。というのも、高い機動性を持つ空中ロボットでは、操作タスクを実行するために必要なローターが不足しており、一方、操作能力を持つ空中ロボットでは、大きすぎて高い機動性を実現できないからである。この問題に対処するため、本稿ではTRADYと呼ばれる新しい空中ロボットを紹介する。TRADYは傾斜ローターを搭載した空中ロボットで、飛行中に自律的に組立・分解を行うことができ、制御モデルを低アクチュエーションモデルと完全アクチュエーションモデルに切り替えることができる。このシステムは、新しいドッキング機構と最適化されたローター構成を特徴としており、また、低アクチュエーションモードと完全アクチュエーションモードの間を移行し、離散的な変化を補正できる制御システムを備えている。さらに、危険な状態からの回復動作を含む組立／分解動作のための新しい動作戦略が導入された。実験の結果、TRADYは空中での組立・分解動作を90％の成功率で成功させることができ、組立状態では単体の9倍以上のトルクを発生させることができた。これは、完全アクチュエーションモデルとアンダーアクチュエーションモデルの間をシームレスに移行しながら、組立と解体の両方を実行できる初めてのロボットシステムである。

要約(オリジナル)

In previous research, various types of aerial robots were developed to improve maneuverability or manipulation abilities. However, there was a challenge in achieving both mobility and manipulation capabilities simultaneously. This is because aerial robots with high mobility lack the necessary rotors to perform manipulation tasks, while those with manipulation ability are too large to achieve high mobility. To address this issue, a new aerial robot called TRADY was introduced in this article. TRADY is a tilted-rotor-equipped aerial robot that can autonomously assemble and disassemble in-flight, allowing for a switch in control model between under-actuated and fully-actuated models. The system features a novel docking mechanism and optimized rotor configuration, as well as a control system that can transition between under-actuated and fully-actuated modes and compensate for discrete changes. Additionally, a new motion strategy for assembly/disassembly motion that includes recovery behavior from hazardous conditions was introduced. Experimental results showed that TRADY can successfully execute aerial assembly/disassembly motions with a 90% success rate and generate more than nine times the torque of a single unit in the assembly state. This is the first robot system capable of performing both assembly and disassembly while seamlessly transitioning between fully-actuated and under-actuated models.

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