47 research outputs found

    Aerial Manipulation: A Literature Review

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    Aerial manipulation aims at combining the versatil- ity and the agility of some aerial platforms with the manipulation capabilities of robotic arms. This letter tries to collect the results reached by the research community so far within the field of aerial manipulation, especially from the technological and control point of view. A brief literature review of general aerial robotics and space manipulation is carried out as well

    Kinematic directional index for the performance of redundant manipulators

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    Performance indexes are a powerful tool to evaluate the behavior of industrial manipulators throughout their workspace and improve their performance. When dealing with intrinsically redundant manipulators, the additional joint influences their performance; hence, it is fundamental to consider the influence of the redundant joint when evaluating the performance index. This work improves the formulation of the kinematic directional index (KDI) by considering redundant manipulators. The KDI represents an improvement over traditional indexes, as it takes into account the direction of motion when evaluating the performance of a manipulator. However, in its current formulation, it is not suitable for redundant manipulators. Therefore, we extend the index to redundant manipulators. This is achieved by adopting a geometric approach that allows identifying the appropriate redundancy to maximize the velocity of a serial manipulator along the direction of motion. This approach is applied to a 4-degree-of-freedom (DOF) planar redundant manipulator and a 7-DOF spatial articulated one. Experimental validation for the articulated robot is presented, demonstrating the effectiveness of the proposed method and its advantages

    A Contribution to the Design of Highly Redundant Compliant Aerial Manipulation Systems

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    Es ist vorhersehbar, dass die Luftmanipulatoren in den nächsten Jahrzehnten für viele Aufgaben eingesetzt werden, die entweder zu gefährlich oder zu teuer sind, um sie mit herkömmlichen Methoden zu bewältigen. In dieser Arbeit wird eine neuartige Lösung für die Gesamtsteuerung von hochredundanten Luftmanipulationssystemen vorgestellt. Die Ergebnisse werden auf eine Referenzkonfiguration angewendet, die als universelle Plattform für die Durchführung verschiedener Luftmanipulationsaufgaben etabliert wird. Diese Plattform besteht aus einer omnidirektionalen Drohne und einem seriellen Manipulator. Um den modularen Regelungsentwurf zu gewährleisten, werden zwei rechnerisch effiziente Algorithmen untersucht, um den virtuellen Eingang den Aktuatorbefehlen zuzuordnen. Durch die Integration eines auf einem künstlichen neuronalen Netz basierenden Diagnosemoduls und der rekonfigurierbaren Steuerungszuordnung in den Regelkreis, wird die Fehlertoleranz für die Drohne erzielt. Außerdem wird die Motorsättigung durch Rekonfiguration der Geschwindigkeits- und Beschleunigungsprofile behandelt. Für die Beobachtung der externen Kräfte und Drehmomente werden zwei Filter vorgestellt. Dies ist notwendig, um ein nachgiebiges Verhalten des Endeffektors durch die achsenselektive Impedanzregelung zu erreichen. Unter Ausnutzung der Redundanz des vorgestellten Luftmanipulators wird ein Regler entworfen, der nicht nur die Referenz der Endeffektor-Bewegung verfolgt, sondern auch priorisierte sekundäre Aufgaben ausführt. Die Wirksamkeit der vorgestellten Lösungen wird durch umfangreiche Tests überprüft, und das vorgestellte Steuerungssystem wird als sehr vielseitig und effektiv bewertet.:1 Introduction 2 Fundamentals 3 System Design and Modeling 4 Reconfigurable Control Allocation 5 Fault Diagnostics For Free Flight 6 Force and Torque Observer 7 Trajectory Generation 8 Hybrid Task Priority Control 9 System Integration and Performance Evaluation 10 ConclusionIn the following decades, aerial manipulators are expected to be deployed in scenarios that are either too dangerous for human beings or too expensive to be accomplished by traditional methods. This thesis presents a novel solution for the overall control of highly redundant aerial manipulation systems. The results are applied to a reference configuration established as a universal platform for performing various aerial manipulation tasks. The platform consists of an omnidirectional multirotor UAV and a serial manipulator. To ensure modular control design, two computationally efficient algorithms are studied to allocate the virtual input to actuator commands. Fault tolerance of the aerial vehicle is achieved by integrating a diagnostic module based on an artificial neural network and the reconfigurable control allocation into the control loop. Besides, the risk of input saturation of individual rotors is minimized by predicting and reconfiguring the speed and acceleration responses. Two filter-based observers are presented to provide the knowledge of external forces and torques, which is necessary to achieve compliant behavior of the end-effector through an axis-selective impedance control in the outer loop. Exploiting the redundancy of the proposed aerial manipulator, the author has designed a control law to achieve the desired end-effector motion and execute secondary tasks in order of priority. The effectiveness of the proposed designs is verified with extensive tests generated by following Monte Carlo method, and the presented control scheme is proved to be versatile and effective.:1 Introduction 2 Fundamentals 3 System Design and Modeling 4 Reconfigurable Control Allocation 5 Fault Diagnostics For Free Flight 6 Force and Torque Observer 7 Trajectory Generation 8 Hybrid Task Priority Control 9 System Integration and Performance Evaluation 10 Conclusio

    Models, algorithms and architectures for cooperative manipulation with aerial and ground robots

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    Les dernières années ont vu le développement de recherches portant sur l'interaction physique entre les robots aériens et leur environnement, accompagné de l'apparition de nombreux nouveaux systèmes mécaniques et approches de régulation. La communauté centrée autour de la robotique aérienne observe actuellement un déplacement de paradigmes des approches classiques de guidage, de navigation et de régulation vers des tâches moins triviales, telle le développement de l'interaction physique entre robots aériens et leur environnement. Ceci correspond à une extension des tâches dites de manipulation, du sol vers les airs. Cette thèse contribue au domaine de la manipulation aérienne en proposant un nouveau concept appelé MAGMaS, pour " Multiple Aerial Ground Manipulator System ". Les motivations qui ont conduites à l'association de manipulateurs terrestres et aériens pour effectuer des tâches de manipulation coopérative, résident dans une volonté d'exploiter leurs particularités respectives. Les manipulateurs terrestres apportant leur importante force et les manipulateurs aériens apportant leur vaste espace de travail. La première contribution de cette thèse présente une modélisation rigoureuse des MAGMaS. Les propriétés du système ainsi que ses possibles extensions sont discutées. Les méthodes de planning, d'estimation et de régulation nécessaire à l'exploitation des MAGMaS pour des tâches de manipulation collaborative sont dérivées. Ce travail propose d'exploiter les redondances des MAGMaS grâce à un algorithme optimal d'allocation de forces entre les manipulateurs. De plus, une méthode générale d'estimation de forces pour robots aériens est introduite. Toutes les techniques et les algorithmes présentés dans cette thèse sont intégrés dans une architecture globale, utilisée à la fois pour la simulation et la validation expérimentale. Cette architecture est en outre augmentée par l'addition d'une structure de télé-présence, afin de permettre l'opération à distances des MAGMaS. L'architecture générale est validée par une démonstration de levage de barre, qui est une application représentative des potentiels usages des MAGMaS. Une autre contribution relative au développement des MAGMaS consiste en une étude exploratoire de la flexibilité dans les objets manipulés par un MAGMaS. Un modèle du phénomène vibratoire est dérivé afin de mettre en exergue ses propriétés en termes de contrôle. La dernière contribution de cette thèse consiste en une étude exploratoire sur l'usage des actionneurs à raideur variable dans les robots aériens, dotant ces systèmes d'une compliance mécanique intrinsèque et de capacité de stockage d'énergie. Les fondements théoriques sont associés à la synthèse d'un contrôleur non-linéaire. L'approche proposée est validée par le biais d'expériences reposant sur l'intégration d'un actionneur à raideur variable léger sur un robot aérien.In recent years, the subject of physical interaction for aerial robots has been a popular research area with many new mechanical designs and control approaches being proposed. The aerial robotics community is currently observing a paradigm shift from classic guidance, navigation, and control tasks towards more unusual tasks, for example requesting aerial robots to physically interact with the environment, thus extending the manipulation task from the ground into the air. This thesis contributes to the field of aerial manipulation by proposing a novel concept known has Multiple Aerial-Ground Manipulator System or MAGMaS, including what appears to be the first experimental demonstration of a MAGMaS and opening a new route of research. The motivation behind associating ground and aerial robots for cooperative manipulation is to leverage their respective particularities, ground robots bring strength while aerial robots widen the workspace of the system. The first contribution of this work introduces a meticulous system model for MAGMaS. The system model's properties and potential extensions are discussed in this work. The planning, estimation and control methods which are necessary to exploit MAGMaS in a cooperative manipulation tasks are derived. This works proposes an optimal control allocation scheme to exploit the MAGMaS redundancies and a general model-based force estimation method is presented. All of the proposed techniques reported in this thesis are integrated in a global architecture used for simulations and experimental validation. This architecture is extended by the addition of a tele-presence framework to allow remote operations of MAGMaS. The global architecture is validated by robust demonstrations of bar lifting, an application that gives an outlook of the prospective use of the proposed concept of MAGMaS. Another contribution in the development of MAGMaS consists of an exploratory study on the flexibility of manipulated loads. A vibration model is derived and exploited to showcase vibration properties in terms of control. The last contribution of this thesis consists of an exploratory study on the use of elastic joints in aerial robots, endowing these systems with mechanical compliance and energy storage capabilities. Theoretical groundings are associated with a nonlinear controller synthesis. The proposed approach is validated by experimental work which relies on the integration of a lightweight variable stiffness actuator on an aerial robot
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