Opening a Hinged Door with an Aerial Manipulator using Model Predictive Control

Abstract

From aerial pick-and-place to aerial transportation, aerial manipulation has been extensively studied in recent years thanks to its mobility and dexterity, each of which is a merit of an aerial vehicle and a robotic arm. However, to fully harness the concept of aerial manipulation, more complex tasks including interaction with movable structures should also be considered. Among various types of movable structures, this paper presents a multirotor-based aerial manipulator opening a daily-life moving structure, a hinged door. Two additional issues that would arise in interaction with a movable structure are addressed: 1) a constrained motion of the structure, and 2) collision avoidance with a moving structure. To handle these issues, we formulate a model predictive control (MPC) problem with a system dynamics constraint and state constraints for collision avoidance. A coupled system dynamics of a multirotor-based aerial manipulator and a hinged door is derived and later simplified for faster computation in MPC. State constraints for collision avoidance with itself, a door, and a doorframe are generated. By implementing a constrained version of differential dynamic programming (DDP), we can generate reference trajectories through MPC in real-time. The proposed method is validated through simulation results and experiments with a real-like hinged door in which a disturbance observer (DOB) based robust motion controller is employed.

비행 매니퓰레이터는 3차원 공간 속에 빠르게 위치할 수 있는 비행체의 장점과 외부와의 상호작용이 가능한 로봇팔의 장점이 결합된 비행체로, 최근 물건 집고 옮기기부터 물품 운송까지 다양한 임무를 수행하기 위해 활발하게 연구되어 왔다. 그러나, 온전히 비행 매니퓰레이터의 가능성을 활용하기 위해서는 움직일 수 있는 외부 구조와의 상호작용과 같이 더욱 복잡한 임무 또한 수행할 수 있어야 할 것이다. 여러 종류의 움직일 수 있는 구조물 중 본 논문에서는 일상 속에서 쉽게 마주칠 수 있는 경첩문을 여는 멀티로터 기반의 비행 매니퓰레이터에 대해 제시한다. 정적인 구조물과의 상호작용과는 달리 동적인 구조물과의 상호작용에 있어서 발생할 수 있는 1) 구조물의 제약된 움직임, 그리고 2) 움직이는 구조물과의 충돌 회피의 2가지 추가적인 문제에 대해 다루었다. 이러한 문제를 다루기 위해 모델 예측 제어 (MPC)를 적용하였으며, 시스템 동역학에 대한 제약조건 및 충돌 회피에 대한 제약 조건을 부여하였다. 멀티로터 기반의 비행 매니퓰레이터와 경첩문의 결합 시스템에 대한 동역학을 유도하였으며, 이후 모델 예측 제어에서의 빠른 계산 속도를 위해 단순화되었다. 충돌 회피에 대한 제약 조건은 모두 상태 변수로 표현되었으며, 비행 매니퓰레이터의 멀티로터 프레임과 로봇팔 사이의 충돌 (자기 충돌), 문과의 충돌, 그리고 문틀과의 충돌을 고려하였다. 미분 기반의 동적 프로그래밍 기법 (differential dynamic programming)에 제약조건이 고려된 알고리즘을 구현함으로써 모델 기반 예측 제어를 통해 실시간으로 경로를 계획할 수 있다. 제안된 방법은 시뮬레이션과 실제 크기의 문을 활용한 실험을 통해 검증되었으며, 외란 관측기 기반의 강건 제어 기법이 실험에 활용되었다.