IJRR頂刊！這項全向空中機械臂黑科技，破傳統空中機器人作業極限

明明無人機早已普及，快遞配送、航拍測繪隨處可見，可為啥“帶胳膊”的空中機械臂，卻很少出現在實際應用中？

答案很簡單：傳統空中機械臂“中看不中用”，受限于技術瓶頸，空中機械臂存在工作空間小，飛行控制難等缺點，根本沒法靈活完成復雜作業。

但現在，這個困境被打破了——近日，國際機器人頂級期刊IJRR上發表了一項全新突破，全向空中機械臂（OAM），能在拉取重物的情況下360°任意懸停，90°俯身、180°翻轉，直接激活了空中機械臂的應用潛力。它到底是怎么突破限制的？今天就來深度揭秘！

▍為何傳統空中機器人“束手束腳”？

要理解全向空中機械臂的優勢，首先要搞清楚傳統空中機械臂的局限。我們常見的空中機械臂，大多搭載在普通多旋翼飛行器上，這種飛行器屬于“欠驅動”系統——簡單說，就是能控制的運動方向有限，驅動力不足以支撐大幅傾斜。這就導致它在作業時，只能保持近乎水平的姿態，滾轉角和俯仰角都很小。

這種局限帶來的直接問題就是工作空間狹小。比如，要抓取地面凹陷處的物體，或是在狹窄空間內檢修設備時，傳統空中機械臂要么夠不到，要么姿態調整不到位，很容易與周圍環境發生碰撞。即便有些研究嘗試讓多旋翼飛行器實現非零角度懸停，但在接近90°俯仰角等關鍵姿態下，依然會出現不穩定甚至失控的情況。

此外，傳統空中機械臂的控制和規劃系統也存在明顯缺陷。一方面，用常規角度（歐拉角）描述飛行器姿態時，會出現“奇點問題”——在某些角度下，控制信號會出現混亂，導致飛行器失控；另一方面，很多系統沒有統籌考慮飛行器和機械臂的協同運動，要么只規劃飛行器的路徑，要么只調整機械臂的關節，導致整體運動僵硬，無法適應復雜作業需求。

全向空中機械臂：打破束縛的“空中能手”

為了解決這一難題，來自首爾大學的研究團隊開發了全向空中機械臂。這一系統的核心創新在于其“全向多旋翼底座”。與傳統多旋翼不同，全向多旋翼配備了更多旋翼和可調節的推進方向，使其能夠在空中保持任意姿態——無論是水平、垂直甚至倒掛。

全向天線機械臂的CAD

這一能力看似簡單，實則技術挑戰巨大。當飛行器以90度俯仰角（近乎垂直）懸停時，它需要產生足夠的側向推力來對抗重力，同時保持精確的位置控制。這要求飛行器必須采用完全驅動設計，能夠在所有方向上獨立產生力和扭矩。

全向空中機械臂的另一組成部分是多自由度機械臂。在這項研究中，機械臂有四個旋轉關節，末端配有夾持器。當與全向多旋翼底座結合時，整個系統形成了一個高度靈活的操作平臺。

要實現全向空中機械臂的實用化，研究人員必須解決兩個核心問題：穩定控制和智能規劃。

抗干擾的“智能穩定器”——gRITE控制器

當機械臂運動或與環境交互時，會產生力和扭矩作用在飛行器底座上，可能引發不穩定。此外，地面效應、空氣動力學擾動等因素也會干擾系統。傳統控制器在處理這些干擾時表現有限，特別是在極端姿態下容易失效。

研究團隊開發了一種名為“gRITE”的新型控制器。這一控制器的獨特之處在于它直接處理三維旋轉的幾何特性，避免了使用歐拉角等傳統方法可能遇到的數學奇點問題（如在90度俯仰角附近計算失效）。

一個全向空中機械臂（OAM）執行精確作任務

更巧妙的是，gRITE控制器包含了一個特殊的“積分”項，能夠持續補償各種干擾的影響。即使機械臂突然運動或抓取未知重量的物體，控制器也能快速調整，保持整個系統的穩定。研究人員證明，通過適當調節控制參數，可以使跟蹤誤差變得任意小。

創新的兩步全身運動規劃方案

僅有穩定的控制還不夠，如何規劃機械臂和飛行器的協調運動同樣關鍵。傳統方法通常分別規劃飛行器的運動和機械臂的運動，這可能導致次優甚至不可行的方案。

整體算法流程

研究團隊提出了一個創新的兩步規劃方法：

第一步：離線規劃末端執行器軌跡

首先，不考慮機器人的具體構型，只規劃機械臂末端執行器（夾持器）如何無碰撞地到達目標位置。這種方法大大簡化了問題，因為末端執行器可以看作三維空間中的一個點。即使在復雜環境中，也能在幾秒鐘內計算出全局最優路徑。

第二步：在線規劃全身運動

基于第一步得到的末端執行器軌跡，第二步實時計算機器人全身如何運動——包括飛行器底座應該采取什么姿態、機械臂各關節如何轉動。這一步驟考慮了避免與環境的碰撞、避免機械臂與飛行器自身碰撞等多種約束。

這種兩級規劃架構既保證了全局優化，又實現了實時響應（規劃頻率超過10Hz）。當機器人執行任務時，它能夠根據實際情況隨時調整運動計劃。

實驗驗證：從地面到桌面的精準操作

為了驗證這一系統的能力，研究團隊進行了多組實驗，展示了全向空中機械臂在傳統系統無法完成的任務中的卓越表現。

控制器性能對比

在一組對比實驗中，研究人員測試了五種不同控制器在機械臂運動干擾下的表現。實驗設置了兩種場景：0度俯仰角（水平）和-30度俯仰角（前傾30度）。機械臂以固定周期擺動，故意產生干擾。

實驗1結果：gPID與擬議控制劑（gRITE）的比較

結果顯示，新開發的gRITE控制器在所有測試中都表現出最佳的抗干擾能力和跟蹤精度。特別是在-30度俯仰角的情況下，基于傳統歐拉角設計的控制器性能明顯下降，而gRITE控制器仍能保持精確控制。這證明了處理三維旋轉幾何特性的重要性。

地面抓取與拉動

傳統空中機械臂通常只能從上方接近地面物體，而全向空中機械臂可以以多種姿態完成任務。研究團隊設置了三種場景：

基本場景：以常規方式接近并抓取地面物體

偏航旋轉場景：飛行器偏航180度后抓取物體

俯仰旋轉場景：機械臂末端需要旋轉180度（相當于從下方抓取）

實驗2結果：抓取并拉動地上的物體

在第三種場景中，飛行器需要保持超過90度的俯仰角，接近垂直狀態。令人印象深刻的是，系統不僅成功抓取了物體，還以這種極端姿態將物體拉動到新位置。傳統空中機械臂根本無法完成這樣的任務。

桌面操作挑戰

桌面操作對空中機械臂提出了額外挑戰：必須避免與桌面碰撞，同時地面效應（靠近表面時氣流的改變）會干擾飛行穩定性。

實驗3的結果：抓住并拉動桌面上的物體

研究團隊展示了兩種場景：物體位于桌面遠端和近端。在兩種情況下，全向空中機械臂都能通過傾斜機身、伸展機械臂的組合動作，安全地抓取并拉動物體。規劃器計算出避免碰撞的軌跡，控制器則確保精確跟蹤這些軌跡。