IJRR顶刊！这项全向空中机械臂黑科技，破传统空中机器人作业极限

明明无人机早已普及，快递配送、航拍测绘随处可见，可为啥“带胳膊”的空中机械臂，却很少出现在实际应用中？

答案很简单：传统空中机械臂“中看不中用”，受限于技术瓶颈，空中机械臂存在工作空间小，飞行控制难等缺点，根本没法灵活完成复杂作业。

但现在，这个困境被打破了——近日，国际机器人顶级期刊IJRR上发表了一项全新突破，全向空中机械臂（OAM），能在拉取重物的情况下360°任意悬停，90°俯身、180°翻转，直接激活了空中机械臂的应用潜力。它到底是怎么突破限制的？今天就来深度揭秘！

▍为何传统空中机器人“束手束脚”？

要理解全向空中机械臂的优势，首先要搞清楚传统空中机械臂的局限。我们常见的空中机械臂，大多搭载在普通多旋翼飞行器上，这种飞行器属于“欠驱动”系统——简单说，就是能控制的运动方向有限，驱动力不足以支撑大幅倾斜。这就导致它在作业时，只能保持近乎水平的姿态，滚转角和俯仰角都很小。

这种局限带来的直接问题就是工作空间狭小。比如，要抓取地面凹陷处的物体，或是在狭窄空间内检修设备时，传统空中机械臂要么够不到，要么姿态调整不到位，很容易与周围环境发生碰撞。即便有些研究尝试让多旋翼飞行器实现非零角度悬停，但在接近90°俯仰角等关键姿态下，依然会出现不稳定甚至失控的情况。

此外，传统空中机械臂的控制和规划系统也存在明显缺陷。一方面，用常规角度（欧拉角）描述飞行器姿态时，会出现“奇点问题”——在某些角度下，控制信号会出现混乱，导致飞行器失控；另一方面，很多系统没有统筹考虑飞行器和机械臂的协同运动，要么只规划飞行器的路径，要么只调整机械臂的关节，导致整体运动僵硬，无法适应复杂作业需求。

全向空中机械臂：打破束缚的“空中能手”

为了解决这一难题，来自首尔大学的研究团队开发了全向空中机械臂。这一系统的核心创新在于其“全向多旋翼底座”。与传统多旋翼不同，全向多旋翼配备了更多旋翼和可调节的推进方向，使其能够在空中保持任意姿态——无论是水平、垂直甚至倒挂。

全向天线机械臂的CAD

这一能力看似简单，实则技术挑战巨大。当飞行器以90度俯仰角（近乎垂直）悬停时，它需要产生足够的侧向推力来对抗重力，同时保持精确的位置控制。这要求飞行器必须采用完全驱动设计，能够在所有方向上独立产生力和扭矩。

全向空中机械臂的另一组成部分是多自由度机械臂。在这项研究中，机械臂有四个旋转关节，末端配有夹持器。当与全向多旋翼底座结合时，整个系统形成了一个高度灵活的操作平台。

要实现全向空中机械臂的实用化，研究人员必须解决两个核心问题：稳定控制和智能规划。

抗干扰的“智能稳定器”——gRITE控制器

当机械臂运动或与环境交互时，会产生力和扭矩作用在飞行器底座上，可能引发不稳定。此外，地面效应、空气动力学扰动等因素也会干扰系统。传统控制器在处理这些干扰时表现有限，特别是在极端姿态下容易失效。

研究团队开发了一种名为“gRITE”的新型控制器。这一控制器的独特之处在于它直接处理三维旋转的几何特性，避免了使用欧拉角等传统方法可能遇到的数学奇点问题（如在90度俯仰角附近计算失效）。

一个全向空中机械臂（OAM）执行精确作任务

更巧妙的是，gRITE控制器包含了一个特殊的“积分”项，能够持续补偿各种干扰的影响。即使机械臂突然运动或抓取未知重量的物体，控制器也能快速调整，保持整个系统的稳定。研究人员证明，通过适当调节控制参数，可以使跟踪误差变得任意小。

创新的两步全身运动规划方案

仅有稳定的控制还不够，如何规划机械臂和飞行器的协调运动同样关键。传统方法通常分别规划飞行器的运动和机械臂的运动，这可能导致次优甚至不可行的方案。

整体算法流程

研究团队提出了一个创新的两步规划方法：

第一步：离线规划末端执行器轨迹

首先，不考虑机器人的具体构型，只规划机械臂末端执行器（夹持器）如何无碰撞地到达目标位置。这种方法大大简化了问题，因为末端执行器可以看作三维空间中的一个点。即使在复杂环境中，也能在几秒钟内计算出全局最优路径。

第二步：在线规划全身运动

基于第一步得到的末端执行器轨迹，第二步实时计算机器人全身如何运动——包括飞行器底座应该采取什么姿态、机械臂各关节如何转动。这一步骤考虑了避免与环境的碰撞、避免机械臂与飞行器自身碰撞等多种约束。

这种两级规划架构既保证了全局优化，又实现了实时响应（规划频率超过10Hz）。当机器人执行任务时，它能够根据实际情况随时调整运动计划。

实验验证：从地面到桌面的精准操作

为了验证这一系统的能力，研究团队进行了多组实验，展示了全向空中机械臂在传统系统无法完成的任务中的卓越表现。

控制器性能对比

在一组对比实验中，研究人员测试了五种不同控制器在机械臂运动干扰下的表现。实验设置了两种场景：0度俯仰角（水平）和-30度俯仰角（前倾30度）。机械臂以固定周期摆动，故意产生干扰。

实验1结果：gPID与拟议控制剂（gRITE）的比较

结果显示，新开发的gRITE控制器在所有测试中都表现出最佳的抗干扰能力和跟踪精度。特别是在-30度俯仰角的情况下，基于传统欧拉角设计的控制器性能明显下降，而gRITE控制器仍能保持精确控制。这证明了处理三维旋转几何特性的重要性。

地面抓取与拉动

传统空中机械臂通常只能从上方接近地面物体，而全向空中机械臂可以以多种姿态完成任务。研究团队设置了三种场景：

基本场景：以常规方式接近并抓取地面物体

偏航旋转场景：飞行器偏航180度后抓取物体

俯仰旋转场景：机械臂末端需要旋转180度（相当于从下方抓取）

实验2结果：抓取并拉动地上的物体

在第三种场景中，飞行器需要保持超过90度的俯仰角，接近垂直状态。令人印象深刻的是，系统不仅成功抓取了物体，还以这种极端姿态将物体拉动到新位置。传统空中机械臂根本无法完成这样的任务。

桌面操作挑战

桌面操作对空中机械臂提出了额外挑战：必须避免与桌面碰撞，同时地面效应（靠近表面时气流的改变）会干扰飞行稳定性。

实验3的结果：抓住并拉动桌面上的物体

研究团队展示了两种场景：物体位于桌面远端和近端。在两种情况下，全向空中机械臂都能通过倾斜机身、伸展机械臂的组合动作，安全地抓取并拉动物体。规划器计算出避免碰撞的轨迹，控制器则确保精确跟踪这些轨迹。