無人機配送快遞、進行航拍測繪早已融入日常生活，但帶有機械臂的空中作業(yè)設(shè)備卻鮮少在實際場景中大展身手。這背后的原因在于，傳統(tǒng)空中機械臂受技術(shù)限制，存在工作空間有限、飛行控制難度大等問題，難以靈活應(yīng)對復(fù)雜的作業(yè)任務(wù)。

傳統(tǒng)空中機械臂大多搭載在普通多旋翼飛行器上，這類飛行器屬于“欠驅(qū)動”系統(tǒng)，可控制的運動方向有限，驅(qū)動力難以支撐大幅傾斜。這就導(dǎo)致其在作業(yè)時，姿態(tài)調(diào)整受限，通常只能保持近乎水平的姿態(tài)，滾轉(zhuǎn)角和俯仰角都很小。這種局限性直接導(dǎo)致其工作空間狹小，例如在抓取地面凹陷處的物體或在狹窄空間內(nèi)檢修設(shè)備時，傳統(tǒng)空中機械臂常常力不從心，要么夠不到目標，要么姿態(tài)調(diào)整不當(dāng)，容易與周圍環(huán)境發(fā)生碰撞。即便有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度俯仰角等關(guān)鍵姿態(tài)下，仍會出現(xiàn)不穩(wěn)定甚至失控的情況。

傳統(tǒng)空中機械臂的控制和規(guī)劃系統(tǒng)也存在明顯不足。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混亂，導(dǎo)致飛行器失控；另一方面，許多系統(tǒng)未能統(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)，使得整體運動僵硬，無法適應(yīng)復(fù)雜作業(yè)需求。

不過，這一困境如今已被打破。近日，國際機器人頂級期刊IJRR上發(fā)表了一項全新研究成果——全向空中機械臂（OAM），它能夠在拉取重物的情況下實現(xiàn)360度任意懸停，還能完成90度俯身、180度翻轉(zhuǎn)等高難度動作，極大地激活了空中機械臂的應(yīng)用潛力。

全向空中機械臂由首爾大學(xué)的研究團隊開發(fā)，其核心創(chuàng)新在于“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，且推進方向可調(diào)節(jié)，能夠在空中保持任意姿態(tài)，無論是水平、垂直甚至倒掛都能輕松應(yīng)對。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，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，這就要求飛行器采用完全驅(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關(guān)鍵組成部分是多自由度機械臂，該研究中的機械臂有四個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，末端配有夾持器。當(dāng)與全向多旋翼底座結(jié)合后，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，研究人員需要解決穩(wěn)定控制和智能規(guī)劃兩大核心問題。在穩(wěn)定控制方面，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。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。為此，研究團隊開發(fā)了一種名為“gRITE”的新型控制器。這一控制器直接處理三維旋轉(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。更巧妙的是，它包含一個特殊的“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。

在智能規(guī)劃方面，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。研究團隊提出了一個創(chuàng)新的兩步規(guī)劃方法：第一步是離線規(guī)劃末端執(zhí)行器軌跡，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位置，這種方法大大簡化了問題，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；第二步是在線規(guī)劃全身運動，基于第一步得到的末端執(zhí)行器軌跡，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，能夠根據(jù)實際情況隨時調(diào)整運動計劃。

為了驗證這一系統(tǒng)的能力，研究團隊進行了多組實驗。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)，設(shè)置了0度俯仰角（水平）和 -30度俯仰角（前傾30度）兩種場景，機械臂以固定周期擺動，故意產(chǎn)生干擾。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。

在地面抓取與拉動實驗中，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）和俯仰旋轉(zhuǎn)場景（機械臂末端需要旋轉(zhuǎn)180度，相當(dāng)于從下方抓?。┤N場景。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)，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)。

在桌面操作挑戰(zhàn)實驗中，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)會干擾飛行穩(wěn)定性。研究團隊展示了物體位于桌面遠端和近端兩種場景，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。