什么是空中作業(yè)機器人

目前，無人機的應(yīng)用場景，還主要集中在與環(huán)境沒有交互的任務(wù)，比如：航拍、測繪、巡線等。這些任務(wù)主要是解決“看”的問題，無人機在這些任務(wù)上已經(jīng)發(fā)展多年，潛在的市場已經(jīng)逐漸被挖掘。空中作業(yè)機器人是一種新型的機器人，其兼具無人機的快速空間移動能力和機械臂的精確操縱能力。簡單的來說，可以將空中作業(yè)機器人看做是無人機和作業(yè)機構(gòu)的結(jié)合。具有無人機和作業(yè)機構(gòu)二重能力的空中作業(yè)機器人，可以拓展無人機的應(yīng)用的場景，讓無人機實現(xiàn)從“看”向“做”的跨越。這將打破無人機的傳統(tǒng)認知，將無人機從飛行的相機向飛行的操縱手推動。將會極大的拓展無人機的應(yīng)用領(lǐng)域，創(chuàng)造出更多的市場。

圖 1 空中作業(yè)機器人

相比于無人機而言，空中作業(yè)機器人具有哪些額外的能力呢？首先，空中作業(yè)機器人具有更高精度的操縱能力，由于機械臂的補償作用，其末端精度相較于無人機的位置控制精度，會顯著提高。其次，空中作業(yè)機器人具有和環(huán)境接觸式交互的能力，空中作業(yè)機器人可以在混合力/位控制器的作用下，實現(xiàn)對環(huán)境的接觸交互，具有接觸能力的空中作業(yè)機器人可以實現(xiàn)抓取、接觸式檢測等無人機無法實現(xiàn)的任務(wù)。最后，空中作業(yè)機器人比無人機更像機器人，具有更高的擴展性，能夠應(yīng)對更復雜的場景。

空中作業(yè)機器人的分類

空中作業(yè)機器人包含兩部分：無人機平臺和作業(yè)機構(gòu)。應(yīng)用于空中作業(yè)機器人的無人機平臺包括直升機、四旋翼無人機、多旋翼無人機和全驅(qū)動多旋翼無人機。前三個種類型的平臺沒有本質(zhì)的區(qū)別，都是欠驅(qū)動的，可控的自由度為4個（三個方向的位置+偏航角）。全驅(qū)動多旋翼無人機為新型無人機平臺，可以實現(xiàn)無人機六個自由度的控制。欠驅(qū)動平臺的可靠性高，技術(shù)成熟，但是會給系統(tǒng)引入欠驅(qū)動特性，會造成控制系統(tǒng)設(shè)計難度增加。全驅(qū)動平臺的控制靈活性高，作業(yè)區(qū)域廣，非常適合空中作業(yè)機器人，但是平臺技術(shù)復雜且可靠性低。

圖 2  空中作業(yè)機器人常用飛行平臺類型：直升機[2]；四旋翼無人機[3]；多旋翼無人機[4]；全驅(qū)動多旋翼無人機[5]。

常見的作業(yè)機構(gòu)類型包括：直連式、纜索式、串聯(lián)式和并聯(lián)式四種：

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直連式

直連式將作業(yè)機構(gòu)直接連接在無人機上。直連式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)強度高，非常適合交互性很強的場景，比如接觸式檢測。直連式的缺點也非常明顯，由于缺乏作業(yè)機構(gòu)對末端位置的調(diào)節(jié)，直連式的末端控制精度主要依賴于無人機的控制精度，其精度比較低下。圖 3是塞維利亞大學研究團隊開發(fā)的一款直連式空中作業(yè)機器人，由于結(jié)構(gòu)強度的優(yōu)勢，該機器人可以直接將末端和墻面、樹干等物體直接接觸。

圖 3 ETH研究團隊開發(fā)的直連式空中作業(yè)機器人[6]

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纜索式

纜索式將末端執(zhí)行機構(gòu)和無人機通過纜索相連。該方式的優(yōu)點是作業(yè)距離長，可以對一些無人機無人進入的場景（如密集的油氣管道、水下）進行作業(yè)任務(wù)。其缺點也主要體現(xiàn)在控制精度差，纜索是一種柔性連接，由于末端和無人機運動所產(chǎn)生的晃動是很難消除的，因此纜索式空中作業(yè)機器人比較適合于對控制精度沒有要求而無人機難以到達的任務(wù)，可以用于復雜場景的搬運或者用于水質(zhì)采樣等場景。 

圖 4 圖盧茲大學研究團隊開發(fā)的纜索式空中作業(yè)機器人[7]

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串聯(lián)式

串聯(lián)式主要指采用無人機和串聯(lián)機械臂相結(jié)合的空中作業(yè)機器人。該類型的優(yōu)點為自由度高、操縱能力強，可以用于大量需要較高精度操縱的場景。其缺點在于控制算法復雜，因為無人機和機械臂之間的動力學耦合，會造成二者的運動會相互干擾，因此控制算法的設(shè)計非常關(guān)鍵。串聯(lián)式是空中作業(yè)機器人的熱門方向，目前大部分的研究都是針對串聯(lián)式空中作業(yè)機器人。搭配合適的末端執(zhí)行機構(gòu)，串聯(lián)式空中作業(yè)機器人可以應(yīng)用于抓取、噴涂、閥門操縱等一些列任務(wù)中。 

圖 5 沈陽自所開發(fā)的串聯(lián)式空中作業(yè)機器人[8]

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并聯(lián)式

并聯(lián)式將無人機和并聯(lián)機械臂相結(jié)合。相較于串聯(lián)式，其末端響應(yīng)更快，精度更高，但是并聯(lián)機械臂的作業(yè)區(qū)域一般比較受限，在作業(yè)區(qū)域上不如串聯(lián)式靈活。并聯(lián)式的精度較高，一般將并聯(lián)式用于精度較高的場景。比如，用并聯(lián)式空中作業(yè)機器人進行抓取[9]、寫字[10]等。圖 6為西湖大學智能無人系統(tǒng)實驗室開發(fā)的并聯(lián)式空中作業(yè)機器人，其末端精度可以達到1 cm。

 圖 6  西湖大學智能無人系統(tǒng)實驗室發(fā)開的并聯(lián)式空中作業(yè)機器人

總 結(jié)

空中作業(yè)機器人可以看做是下一代的無人機，由于它兼具無人機和作業(yè)機構(gòu)的二重特性，使得其相較于傳統(tǒng)無人機擁有更強的交互能力、更高的操縱精度、更高的可擴展性。

空中作業(yè)機器人雖然由無人機和作業(yè)機構(gòu)組成，是不是簡單地把這二者結(jié)合起來就可以了呢？答案顯然是否定的，無人機和機械臂組成的多體動力學系統(tǒng)的控制是一個比較復雜的問題。同時，旋翼電機和作業(yè)機構(gòu)的驅(qū)動電機的不同，這也影響了空中作業(yè)機器人控制算法的實現(xiàn)。此外，由于空中作業(yè)機器人在任務(wù)過程中，往往與環(huán)境存在力接觸，因此對接觸力的控制也是空中作業(yè)機器人的一項重要內(nèi)容。

總的來說，空中作業(yè)機器人目前還是“美好的明天”，在“明天”到來前，還有很多研究工作需要推進起來。

參考資料

[1] A. Ollero, M. Tognon, A. Suarez, D. Lee, and A. Franchi, “Past, Present, and Future of Aerial Robotic Manipulators,” IEEE Trans. Robot., 2021, doi: 10.1109/TRO.2021.3084395.

[2] F. Huber et al., “First analysis and experiments in aerial manipulation using fully actuated redundant robot arm,” IEEE Int. Conf. Intell. Robot. Syst., pp. 3452–3457, 2013, doi: 10.1109/IROS.2013.6696848.

[3] M. Fumagalli, S. Stramigioli, and R. Carloni, “Mechatronic design of a robotic manipulator for unmanned aerial vehicles,” IEEE Int. Conf. Intell. Robot. Syst., vol. 2016-November, pp. 4843–4848, 2016, doi: 10.1109/IROS.2016.7759711.

[4] G. Muscio et al., “Experiments on coordinated motion of aerial robotic manipulators,” Proc. - IEEE Int. Conf. Robot. Autom., vol. 2016-June, pp. 1224–1229, 2016, doi: 10.1109/ICRA.2016.7487252.

[5] M. Tognon et al., “A Truly-Redundant Aerial Manipulator System With Application to Push-and-Slide Inspection in Industrial Plants,” IEEE Robot. Autom. Lett., vol. 4, pp. 184–6, 2019, doi: 10.5281/zenodo.2640361.

[6] K. Bodie et al., “An Omnidirectional Aerial Manipulation Platform for Contact-Based Inspection,” 2019, doi: 10.15607/rss.2019.xv.019.

[7] D. Sanalitro, H. J. Savino, M. Tognon, J. Cortés, and A. Franchi, “Full-Pose Manipulation Control of a Cable-Suspended Load with Multiple UAVs under Uncertainties,” IEEE Robot. Autom. Lett., vol. 5, no. 2, pp. 2185–2191, 2020, doi: 10.1109/LRA.2020.2969930.

[8] G. Zhang et al., “Grasp a moving target from the air: System control of an aerial manipulator,” Proc. - IEEE Int. Conf. Robot. Autom., pp. 1681–1687, 2018, doi: 10.1109/ICRA.2018.8461103.

[9] G. B. Haberfeld, D. Sun, and N. Hovakimyan, “Stabilization and Optimal Trajectory Generation for a Compact Aerial Manipulation System with a Delta-type Parallel Robot,” 2018 Int. Conf. Unmanned Aircr. Syst. ICUAS 2018, pp. 1091–1100, 2018, doi: 10.1109/ICUAS.2018.8453444.

[10] D. Tzoumanikas, F. Graule, Q. Yan, D. Shah, M. Popovic, and S. Leutenegger, “Aerial Manipulation Using Hybrid Force and Position NMPC Applied to Aerial Writing,” 2020, doi: 10.15607/rss.2020.xvi.046.