Design, Control, and Motion Strategy for DELTA: Transformable Multilink Multirotor for Air-Ground Hybrid Locomotion and Manipulation
作者: Kazuki Sugihara, Moju Zhao, Takuzumi Nishio, Kei Okada, Masayuki Inaba
分类: cs.RO
发布日期: 2024-03-11 (更新: 2026-05-24)
备注: 20 pages, 31 figures
💡 一句话要点
提出一种新型多链路多旋翼机器人以解决空地混合运动与操作问题
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control) 支柱九：具身大模型 (Embodied Foundation Models)
关键词: 多链路机器人 多旋翼飞行器 混合运动 操作能力 非线性优化 运动学模型 实时控制 环境适应性
📋 核心要点
- 现有的多模态机器人大多仅具备运动能力，缺乏有效的操作功能，限制了其在实际任务中的应用。
- 本文提出了一种新型多链路多旋翼机器人，具备在空中和地面环境中进行运动和操作的能力，采用每个链路上配置推进器的设计。
- 通过实验验证，该机器人能够在多种环境中实现复杂的运动和操作，展示了其在空地混合运动中的潜力。
📝 摘要（中文）
近年来，多模态运动能力使得机器人能够在陆地和空中领域灵活移动。然而，大多数此类机器人仅具备运动能力，缺乏实际任务所需的操作能力。本文提出了一种新型的多链路多旋翼机器人，具备在不同环境中进行接触和操作的能力。该机器人通过每个链路上的推进器实现地面滚动、空中飞行和多环境操作。我们介绍了该机器人的最小配置设计、运动学模型及其组件设计，并提出了一种基于非线性优化的实时控制方法，能够处理接触和关节运动。最后，我们展示了该原型在两种环境中的多种运动，标志着空地混合运动与操作的首次实现。
🔬 方法详解
问题定义：本文旨在解决现有多旋翼机器人在地面和空中混合运动及操作能力不足的问题。现有机器人因推进器集中设计，难以实现足够的自由度和稳定的接触运动。
核心思路：提出一种新型的多链路多旋翼机器人设计，推进器分布在每个链路上，使其能够在不同环境中进行接触和操作，提升运动灵活性和操作能力。
技术框架：整体架构包括最小配置设计、运动学模型、实时控制方法和运动策略。每个模块协同工作，以实现复杂的运动和操作。
关键创新：首次实现了多链路多旋翼机器人在空地混合环境中的运动与操作，突破了传统机器人在这方面的局限。
关键设计：设计中考虑了接触约束和关节运动，采用非线性优化方法进行实时控制，确保机器人在不同环境中的稳定性和灵活性。具体参数和损失函数设置在实验中进行了验证。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，该多链路多旋翼机器人在空地混合环境中实现了稳定的运动与操作，能够在多种环境中灵活应对，展示了其在复杂任务中的优越性能。具体性能数据和对比基线将在论文中详细列出。
🎯 应用场景
该研究的潜在应用领域包括灾害救援、环境监测和物流配送等场景。通过结合空中和地面运动能力，该机器人能够在复杂环境中执行多样化的任务，具有重要的实际价值和广泛的应用前景。
📄 摘要（原文）
In recent years, multimodal locomotion capabilities have enabled robots to maneuver in both terrestrial and aerial domains. However, most of these robots are designed only for locomotion, and few possess the manipulation capabilities required for practical tasks. By adding a manipulator, ground robots can perform manipulation, and some drones with robotic arms have demonstrated aerial manipulation. Nonetheless, such multirotors cannot be directly used for manipulation on the ground, and this configuration itself is unsuitable for air-ground hybrid locomotion. This is because their thruster-centralized structure makes it difficult to achieve both sufficient degrees of freedom (DoF) for manipulation and stable motion with contact and transformation. Therefore, in this work, we develop a new multilink multirotor with thrusters on each link and capable of contact with the environments. This robot can perform terrestrial rolling locomotion, aerial flight locomotion, and manipulation in multiple environments using joint actuation. First, we introduce a minimal configuration design of the proposed robot. We also describe a kinematic model and propose a design for each component based on this model. Second, we propose a real-time control method based on nonlinear optimization that considers contact and joint motion, which can be applied to various multirotors. Third, we propose motion strategies that include contact constraints specific to air-ground hybrid multilink multirotors, and analyze the limitations of manipulation capabilities based on multi-contact model. Finally, we demonstrate a variety of motions in both domains using the implemented prototype. To the best of our knowledge, this is the first demonstration of air-ground hybrid locomotion and manipulation by a multilink multirotor.