Design, Modeling, and Experimental Validation of a Double-Tilting Drone Arm for Thrust Vector Reorientation

This thesis represents the initial phase of a broader research project focused on the development and control of multirotor aerial vehicles equipped with advanced tilting mechanisms for their actuators. The study explores the integration of additional servo-driven degrees of freedom into conventional rotor assemblies to enable dynamic reorientation of the thrust vector. This capability enhances the maneuverability and control authority of multirotors, opening new possibilities in flight dynamics, stabilization strategies, and unconventional vehicle configurations. The work specifically presents the design, modeling, and experimental validation of a double-tilting arm mechanism, which serves as the structural interface between the propeller–motor assembly and the drone’s main frame. The arm was engineered to introduce two additional rotational degrees of freedom-a tilt and a twist axis-allowing full reorientation of the thrust vector while preserving structural integrity and minimizing additional weight. To assess the feasibility of the concept, a complete mathematical model was developed using the Newton-Euler formulation, predicting the torques required for both static and dynamic operating conditions. This analysis guided the selection of suitable servomotors and confirmed the theoretical viability of the proposed design. Following the modeling phase, a functional prototype of the double-tilting arm was realized using \ThreeD-printed components designed in Autodesk Fusion. The printed parts facilitated the integration of the Dynamixel XC330-T288-T actuators, sensors, and mounting elements, enabling efficient assembly and testing. The prototype was installed on a Holybro X500 v2 multirotor platform without structural modifications, demonstrating the modularity and practical applicability of the design. A series of laboratory experiments were carried out to validate the analytical model. The measured tilt and twist responses, obtained through the Dynamixel feedback interface, showed close agreement with theoretical predictions, with torque deviations within approximately 10\%. These results confirm the accuracy of the analytical formulation and validate the mechanical performance of the prototype. Overall, the research demonstrates the feasibility of implementing a lightweight and modular double-tilting arm for active thrust-vector control in multirotors. The outcomes provide a solid foundation for future developments, including closed-loop control implementation, material optimization, and in-flight validation, ultimately contributing to the advancement of next-generation agile aerial robotics platforms.

Questa tesi rappresenta la fase iniziale di un più ampio progetto di ricerca focalizzato sullo sviluppo e sul controllo di veicoli aerei multirotore dotati di meccanismi di tilting. Lo studio esplora l’integrazione ulteriori gradi di libertà, al fine di consentire la riorientazione dinamica del vettore di spinta. Questa capacità migliora la manovrabilità e la capcità di controllo dei multirotori, aprendo nuove prospettive nello studio della dinamica aerea, nelle strategie di stabilizzazione e nelle configurazioni piattaforme non convenzionali. Il lavoro presenta nello specifico la progettazione, la modellazione e la validazione sperimentale di un meccanismo/braccio double-tilting, che funge da interfaccia strutturale tra l’insieme motore–elica e il telaio del drone. Il braccio è stato progettato per introdurre due gradi di libertà rotazionali – un per il tilt e uno per il twist – permettendo la completa riorientazione del vettore di spinta, preservando l’integrità strutturale e minimizzando l’aumento di peso. Per valutare la fattibilità del concetto, è stato sviluppato un modello matematico completo basato sulla formulazione di Newton–Eulero, in grado di prevedere le coppie richieste sia nelle condizioni operative statiche che dinamiche. Questa analisi ha guidato la selezione dei servomotori adeguati e ha confermato la validità teorica del design proposto. A seguito della fase di modellazione, è stato realizzato un prototipo funzionale del meccanismo di double-tilt utilizzando componenti stampati in 3D progettati tramite Autodesk Fusion. Le parti stampate hanno facilitato l’integrazione degli attuatori Dynamixel XC330-T288-T, dei sensori e degli elementi di montaggio, consentendo un’assemblaggio e test efficienti. Il braccio è stato installato su una piattaforma multirotore Holybro X500 v2 senza modifiche strutturali, dimostrando la modularità e l’applicabilità pratica del progetto. Una serie di esperimenti di laboratorio è stata condotta per validare il modello analitico. Le risposte misurate di tilt e twist, ottenute tramite l’interfaccia di feedback Dynamixel, hanno mostrato un buon accordo con le previsioni teoriche. Questi risultati confermano l’accuratezza della formulazione analitica e validano le prestazioni meccaniche del prototipo. Nel complesso, la ricerca dimostra la fattibilità dell’implementazione di un braccio a double-tilt leggero e modulare per il controllo attivo del vettore di spinta nei multirotori. I risultati ottenuti forniscono una solida base per sviluppi futuri, includendo l’implementazione di controllo in anello chiuso, l’ottimizzazione dei materiali e la validazione in volo, contribuendo infine all’avanzamento delle piattaforme aeree.