要約
空中マニピュレーター システム (AMS) は、空中操作での有用性から大きな関心を集めています。
それにもかかわらず、マニピュレータの限られた剛性およびマニピュレータの動きとの結合外乱に関連する課題は依然として残っている。
この論文では、ヘクスローター無人航空機 (UAV) と 4 自由度 (4-DOF) の擬人化腱駆動マニピュレーターを統合した革新的な AMS である空中腱駆動マニピュレーター (ATDM) を紹介します。
マニピュレーターのデザインは解剖学的にインスピレーションを得ており、肩関節から下は人間の腕の解剖学的構造をエミュレートしています。
構造の完全性とパフォーマンスを強化するために、有限要素トポロジーの最適化と格子の最適化がリンクに採用され、骨の放射状に傾斜した構造の特徴が再現されます。このアプローチは、重量と慣性を効果的に低減し、同時に剛性を最大化します。
張力を調整できる新しい張力機構がケーブルの弛緩に対処するために導入され、張力増幅腱機構がマニピュレーター全体の剛性と出力を向上させるために実装されています。
この論文では、仮想結合ジョイントに基づく運動学モデル、包括的なワークスペース解析、および個々のアーム ジョイントの出力トルクと剛性の詳細な計算について説明します。
プロトタイプのアームの総重量は 2.7 kg ですが、エンドエフェクターの重量は 0.818 kg のみです。
すべてのアクチュエータをベースに配置することにより、カップリングの外乱が最小限に抑えられます。
この論文には詳細な機械設計が含まれており、半物理的な多体動力学シミュレーションを通じてシステムの性能を検証し、提案された設計の有効性を確認しています。
要約(オリジナル)
Aerial Manipulator Systems (AMS) have garnered significant interest for their utility in aerial operations. Nonetheless, challenges related to the manipulator’s limited stiffness and the coupling disturbance with manipulator movement persist. This paper introduces the Aerial Tendon-Driven Manipulator (ATDM), an innovative AMS that integrates a hexrotor Unmanned Aerial Vehicle (UAV) with a 4-degree-of-freedom (4-DOF) anthropomorphic tendon-driven manipulator. The design of the manipulator is anatomically inspired, emulating the human arm anatomy from the shoulder joint downward. To enhance the structural integrity and performance, finite element topology optimization and lattice optimization are employed on the links to replicate the radially graded structure characteristic of bone, this approach effectively reduces weight and inertia while simultaneously maximizing stiffness. A novel tensioning mechanism with adjustable tension is introduced to address cable relaxation, and a Tension-amplification tendon mechanism is implemented to increase the manipulator’s overall stiffness and output. The paper presents a kinematic model based on virtual coupled joints, a comprehensive workspace analysis, and detailed calculations of output torques and stiffness for individual arm joints. The prototype arm has a total weight of 2.7 kg, with the end effector contributing only 0.818 kg. By positioning all actuators at the base, coupling disturbance are minimized. The paper includes a detailed mechanical design and validates the system’s performance through semi-physical multi-body dynamics simulations, confirming the efficacy of the proposed design.
arxiv情報
| 著者 | Quman Xu,Zhan Li,Hai Li,Xinghu Yu,Yipeng Yang |
| 発行日 | 2024-05-08 05:40:12+00:00 |
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