Avian-Inspired High-Precision Tracking Control for Aerial Manipulators

要約

マルチローターとロボットアームで構成される空中マニピュレーターは、鳥類を非常に彷彿とさせる構造と機能を備えています。
本論文は空中マニピュレータの追跡制御問題を研究する。
本論文は空中マニピュレータの追跡制御問題を研究する。
我々は、鳥類にヒントを得た空中操作システムを提案します。これには、鳥類にヒントを得たロボットアーム設計、再帰的ニュートン・オイラー（RNE）法ベースの非線形飛行コントローラー、および 2 つのモードを備えた協調コントローラーが含まれます。
既存の方法と比較して、私たちが提案するアプローチはいくつかの魅力的な特徴を提供します。
まず、鳥類の形態的特徴を利用して、空中マニピュレーターのマルチコプターとロボット アームのサイズ比率を決定します。
第 2 に、空中マニピュレータの動的結合は、RNE ベースのフライト コントローラとデュアルモード調整コントローラによって対処されます。
具体的には、私たちが提案するアルゴリズムの下では、空中マニピュレーターは鳥の頭部の安定化と同様に、エンドエフェクターの姿勢を安定させることができます。
提案されたアプローチは 3 つの数値実験を通じて検証されます。
結果は、クアッドコプターがさまざまな力によって外乱された場合でも、エンドエフェクターの位置誤差はミリメートルレベルの精度を達成し、姿勢誤差は 1 度以内にとどまることを示しています。
この研究の限界は、鳥類で見られるような攻撃的な操作を考慮していないことです。
現実世界の実験を調査する将来の研究を通じてこの問題に対処することが、研究の重要な方向性となるでしょう。

要約(オリジナル)

Aerial manipulators, composed of multirotors and robotic arms, have a structure and function highly reminiscent of avian species. This paper studies the tracking control problem for aerial manipulators. This paper studies the tracking control problem for aerial manipulators. We propose an avian-inspired aerial manipulation system, which includes an avian-inspired robotic arm design, a Recursive Newton-Euler (RNE) method-based nonlinear flight controller, and a coordinated controller with two modes. Compared to existing methods, our proposed approach offers several attractive features. First, the morphological characteristics of avian species are used to determine the size proportion of the multirotor and the robotic arm in the aerial manipulator. Second, the dynamic coupling of the aerial manipulator is addressed by the RNE-based flight controller and a dual-mode coordinated controller. Specifically, under our proposed algorithm, the aerial manipulator can stabilize the end-effector’s pose, similar to avian head stabilization. The proposed approach is verified through three numerical experiments. The results show that even when the quadcopter is disturbed by different forces, the position error of the end-effector achieves millimeter-level accuracy, and the attitude error remains within 1 degree. The limitation of this work is not considering aggressive manipulation like that seen in birds. Addressing this through future studies that explore real-world experiments will be a key direction for research.

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