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(xiàn)在實際應(yīng)用中？

答案很簡單：傳統(tǒng)空中機械臂“中看不中用”，受限于技術(shù)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(fù)雜作業(yè)。

但現(xiàn)在，這個困境被打破了——近日，國際機器人頂級期刊IJRR上發(fā)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(zhuǎn)，直接激活了空中機械臂的應(yīng)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(tǒng)空中機器人“束手束腳”？

要理解全向空中機械臂的優(yōu)勢，首先要搞清楚傳統(tǒng)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(qū)動”系統(tǒng)——簡單說，就是能控制的運動方向有限，驅(qū)動力不足以支撐大幅傾斜。這就導(dǎo)致它在作業(yè)時，只能保持近乎水平的姿態(tài)，滾轉(zhuǎn)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(nèi)檢修設(shè)備時，傳統(tǒng)空中機械臂要么夠不到，要么姿態(tài)調(diào)整不到位，很容易與周圍環(huán)境發(fā)生碰撞。即便有些研究嘗試讓多旋翼飛行器實現(xiàn)非零角度懸停，但在接近90°俯仰角等關(guān)鍵姿態(tài)下，依然會出現(xiàn)不穩(wěn)定甚至失控的情況。

此外，傳統(tǒng)空中機械臂的控制和規(guī)劃系統(tǒng)也存在明顯缺陷。一方面，用常規(guī)角度（歐拉角）描述飛行器姿態(tài)時，會出現(xiàn)“奇點問題”——在某些角度下，控制信號會出現(xiàn)混亂，導(dǎo)致飛行器失控；另一方面，很多系統(tǒng)沒有統(tǒng)籌考慮飛行器和機械臂的協(xié)同運動，要么只規(guī)劃飛行器的路徑，要么只調(diào)整機械臂的關(guān)節(jié)，導(dǎo)致整體運動僵硬，無法適應(yīng)復(fù)雜作業(yè)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(xué)的研究團隊開發(fā)了全向空中機械臂。這一系統(tǒng)的核心創(chuàng)新在于其“全向多旋翼底座”。與傳統(tǒng)多旋翼不同，全向多旋翼配備了更多旋翼和可調(diào)節(jié)的推進方向，使其能夠在空中保持任意姿態(tài)——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(shù)挑戰(zhàn)巨大。當(dāng)飛行器以90度俯仰角（近乎垂直）懸停時，它需要產(chǎn)生足夠的側(cè)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(qū)動設(shè)計，能夠在所有方向上獨立產(chǎn)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(zhuǎn)關(guān)節(jié)，末端配有夾持器。當(dāng)與全向多旋翼底座結(jié)合時，整個系統(tǒng)形成了一個高度靈活的操作平臺。

要實現(xiàn)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(wěn)定控制和智能規(guī)劃。

抗干擾的“智能穩(wěn)定器”——gRITE控制器

當(dāng)機械臂運動或與環(huán)境交互時，會產(chǎn)生力和扭矩作用在飛行器底座上，可能引發(fā)不穩(wěn)定。此外，地面效應(yīng)、空氣動力學(xué)擾動等因素也會干擾系統(tǒng)。傳統(tǒng)控制器在處理這些干擾時表現(xiàn)有限，特別是在極端姿態(tài)下容易失效。

研究團隊開發(fā)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(zhuǎn)的幾何特性，避免了使用歐拉角等傳統(tǒng)方法可能遇到的數(shù)學(xué)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(zhí)行精確作任務(wù)

更巧妙的是，gRITE控制器包含了一個特殊的“積分”項，能夠持續(xù)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(diào)整，保持整個系統(tǒng)的穩(wěn)定。研究人員證明，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)控制參數(shù)，可以使跟蹤誤差變得任意小。

創(chuàng)新的兩步全身運動規(guī)劃方案

僅有穩(wěn)定的控制還不夠，如何規(guī)劃機械臂和飛行器的協(xié)調(diào)運動同樣關(guān)鍵。傳統(tǒng)方法通常分別規(guī)劃飛行器的運動和機械臂的運動，這可能導(dǎo)致次優(yōu)甚至不可行的方案。

整體算法流程

研究團隊提出了一個創(chuàng)新的兩步規(guī)劃方法：

第一步：離線規(guī)劃末端執(zhí)行器軌跡

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

第二步：在線規(guī)劃全身運動

基于第一步得到的末端執(zhí)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(yīng)該采取什么姿態(tài)、機械臂各關(guān)節(jié)如何轉(zhuǎn)動。這一步驟考慮了避免與環(huán)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(guī)劃架構(gòu)既保證了全局優(yōu)化，又實現(xiàn)了實時響應(yīng)（規(guī)劃頻率超過10Hz）。當(dāng)機器人執(zhí)行任務(wù)時，它能夠根據(jù)實際情況隨時調(diào)整運動計劃。

實驗驗證：從地面到桌面的精準(zhǔn)操作

為了驗證這一系統(tǒng)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(tǒng)系統(tǒng)無法完成的任務(wù)中的卓越表現(xiàn)。

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(xiàn)。實驗設(shè)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(chǎn)生干擾。

實驗1結(jié)果：gPID與擬議控制劑（gRITE）的比較

結(jié)果顯示，新開發(fā)的gRITE控制器在所有測試中都表現(xiàn)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(tǒng)歐拉角設(shè)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(zhuǎn)幾何特性的重要性。

地面抓取與拉動

傳統(tǒng)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(tài)完成任務(wù)。研究團隊設(shè)置了三種場景：

基本場景：以常規(guī)方式接近并抓取地面物體

偏航旋轉(zhuǎn)場景：飛行器偏航180度后抓取物體

俯仰旋轉(zhuǎn)場景：機械臂末端需要旋轉(zhuǎn)180度（相當(dāng)于從下方抓取）

實驗2結(jié)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(tài)。令人印象深刻的是，系統(tǒng)不僅成功抓取了物體，還以這種極端姿態(tài)將物體拉動到新位置。傳統(tǒng)空中機械臂根本無法完成這樣的任務(wù)。

桌面操作挑戰(zhàn)

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

實驗3的結(jié)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(guī)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。