空中機(jī)械臂的發(fā)展概述

一、介紹

? ? ? ?空中機(jī)器人與環(huán)境的物理交互領(lǐng)域，特別是空中機(jī)械臂，經(jīng)歷了十年的持續(xù)發(fā)展。在具有代表性的室內(nèi)和室外場(chǎng)景中，已經(jīng)開發(fā)和評(píng)估了各種原型、功能和能力，證明了在飛行中成功執(zhí)行操縱任務(wù)的可能性。近年來，空中機(jī)械臂快速到達(dá)高空并進(jìn)行操作的能力，以及其成熟程度的提高，使得該技術(shù)在檢查和維護(hù)等領(lǐng)域得到了應(yīng)用，為人類工人減少了時(shí)間、成本和風(fēng)險(xiǎn)。?

? ? ? ? 回顧這一領(lǐng)域的主要成就，提煉出共同特征，在表1中定義了三代空中機(jī)械臂，在圖1顯示了近十年來空中機(jī)械臂設(shè)計(jì)的演變。

? ? ? ?第一代空中機(jī)械臂由傳統(tǒng)的四旋翼組成，能夠在保持飛行穩(wěn)定性的情況下向墻壁施加力，抓取物體，具有很少的自由度(dof)。此外，還有使用涵道風(fēng)扇無人機(jī)和直升機(jī)作為機(jī)械臂的空中載體的原型。然而，多旋翼的控制、機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，更受青睞。

? ? ? ?第二代空中機(jī)械臂包括適用于室內(nèi)和室外操作的空中平臺(tái)，配備了剛性和柔順的手臂(多達(dá)6 到7個(gè) 自由度)，用于精確的末端執(zhí)行器定位和擾動(dòng)補(bǔ)償；還集成了基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的戶外導(dǎo)航傳感器、基于信標(biāo)的室內(nèi)導(dǎo)航等功能。

? ? ? ? 目前的第三代空中機(jī)械臂包括幾個(gè)先進(jìn)的功能:戶外/室內(nèi)環(huán)境操作，全驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，多臂，GNSS自主導(dǎo)航能力，機(jī)載SLAM。應(yīng)用包括結(jié)構(gòu)裝配，煉油廠(管道和儲(chǔ)罐)的接觸式檢測(cè)，橋梁等。

二、空中操縱平臺(tái)

? ? ? ? 在前文中，我們根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的不同，將空中平臺(tái)分為直升機(jī)、涵道風(fēng)扇無人機(jī)以及最流行的多旋翼平臺(tái)。接下來，我們將根據(jù)驅(qū)動(dòng)特性、交互類型和執(zhí)行的任務(wù)重新進(jìn)行分類。

A、建模和驅(qū)動(dòng)特性

? ?? ? 在之前的推文中，我們介紹了什么是全驅(qū)動(dòng)無人機(jī)。同樣的，我們也考慮一個(gè)的多旋翼平臺(tái)，其執(zhí)行器，由一個(gè)電機(jī)螺旋槳對(duì)組成，在機(jī)體上產(chǎn)生推力和阻力矩，共有n組。收集了相對(duì)機(jī)體的所有控制輸入，得到總的力/力矩的分配矩陣M，由此可以根據(jù)分配矩陣的秩分為以下幾類空中平臺(tái)。

? ? ? ? 1)??單向推力(UDT): 具有該特性的平臺(tái)只能沿一個(gè)方向改變總推力(如共面/平行設(shè)計(jì)，直升機(jī)和涵道風(fēng)扇)。如果一個(gè)平臺(tái)的分配矩陣是rank M =4，我們就說它是UDT。對(duì)于直升機(jī)和涵道風(fēng)扇無人機(jī)，之前的模型并不直接適用。一般將總推力和總扭矩視為輸入。由于推力方向是恒定的機(jī)體框架，因此相應(yīng)的分配矩陣rank M=4。

? ? ? ? 2)??多方向推力(MDT): 具有這一特性的平臺(tái)可以獨(dú)立于總力矩沿多個(gè)方向改變總推力。如果5≤rank M≤6，則平臺(tái)為MDT。

? ? ? ? 3)??全驅(qū)動(dòng)(FA): 這是MDT平臺(tái)的一個(gè)子類。具有這一特性的平臺(tái)可以獨(dú)立于總力矩沿各個(gè)方向改變總推力。如果一個(gè)空中平臺(tái)的分配矩陣rank M = 6，那么它就是FA，這與我們前面關(guān)于全驅(qū)動(dòng)無人機(jī)的推文中的定義一致。

? ? ? ? 4)? 過驅(qū)動(dòng)(OA)：控制輸入數(shù)多于輸出數(shù)。如果一個(gè)多旋翼是FA，那么它就是OA，并且一個(gè)所需要的wrench有不止一個(gè)輸入組合來實(shí)現(xiàn)它，即n > 6。

? ? ? ? 5)? 全向(OD): 這描述了FA設(shè)計(jì)的另一個(gè)子類，不排除OA。

B、 非接觸式任務(wù)的控制方法

? ? ? ?如果平臺(tái)是FA，控制器的設(shè)計(jì)是相當(dāng)簡(jiǎn)單的，因?yàn)槿峙渚仃嘙是可逆的。這允許應(yīng)用簡(jiǎn)單的靜態(tài)(固定螺旋槳)或動(dòng)態(tài)(可傾斜和可移動(dòng)螺旋槳)反饋線性化，允許獨(dú)立控制位置和方向。如果平臺(tái)為OA，可以利用M的零空間對(duì)控制輸入進(jìn)行優(yōu)化。

? ? ? ?如果平臺(tái)不是FA，反饋線性化不能直接應(yīng)用。針對(duì)欠驅(qū)動(dòng)，需要設(shè)計(jì)一個(gè)特定的控制器。對(duì)于四旋翼機(jī)和直升機(jī)，為了應(yīng)用動(dòng)態(tài)反饋線性化，需要考慮總推力和力矩作為輸入的第一輸入變換。

? ? ? ? 其他可以獨(dú)立應(yīng)用于FA和非FA平臺(tái)的通用方法是基于模型預(yù)測(cè)控制(MPC)的。這需要一個(gè)精確的系統(tǒng)模型，以及成本函數(shù)的微調(diào)。在實(shí)際應(yīng)用中，由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，這兩個(gè)需求都很難得到滿足。在這種情況下，反饋線性化可能更容易實(shí)現(xiàn)，特別是在靜態(tài)情況下。

C、空中物理相互作用的控制方法

? ? ? ?當(dāng)飛行器與環(huán)境相互作用時(shí)，需要能夠同時(shí)控制接觸點(diǎn)的位置，以及相互作用的力，保持飛行器的穩(wěn)定性。

? ? ? ?常見的控制方法如下：

? ? ? 1)?阻抗/導(dǎo)納控制:? 是基于交互點(diǎn)上系統(tǒng)阻抗/導(dǎo)納力學(xué)特性的重塑最常見的方法。阻抗/導(dǎo)納控制器建立了末端執(zhí)行器位置與交互力之間的理想動(dòng)態(tài)關(guān)系。

? ? ? ?阻抗控制，將系統(tǒng)視為機(jī)械導(dǎo)納。系統(tǒng)的輸入是由機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的力，輸出是末端執(zhí)行器的位移。在實(shí)踐中，為了執(zhí)行基于接觸的任務(wù)，末端執(zhí)行器的期望位置被選擇在交互面的“內(nèi)部”。試圖到達(dá)這一點(diǎn)的機(jī)器人會(huì)產(chǎn)生一個(gè)力，這個(gè)力與控制器的阻抗特性有關(guān)。這種策略已經(jīng)被提出用于欠驅(qū)動(dòng)和全驅(qū)動(dòng)空中機(jī)器臂。

? ? ? 導(dǎo)納控制是阻抗控制的對(duì)偶，它將系統(tǒng)視為機(jī)械阻抗。對(duì)于欠驅(qū)動(dòng)和全驅(qū)動(dòng)空中機(jī)器臂，系統(tǒng)的輸入是末端執(zhí)行器的位移，輸出是相互作用的力。

? ? ? ?2 )位置/力混合控制:? 此前的方案采用間接力控制，通過設(shè)計(jì)合適的末端執(zhí)行器軌跡來間接控制交互力；位置/力混合控制方法的目標(biāo)是直接精確地控制相互作用的力。該機(jī)器人由兩個(gè)互補(bǔ)的反饋環(huán)控制，一個(gè)是位置反饋環(huán)，另一個(gè)是相互作用力反饋環(huán)，分別沿?zé)o約束軸和約束軸進(jìn)行控制。

? ? ? ?總結(jié)上述兩種方法，阻抗/導(dǎo)納控制器是非常容易和直觀的實(shí)現(xiàn)。從非接觸式和接觸式飛行的過渡可以很容易地處理增益的平穩(wěn)變化；但是，不能保證精確的交互控制。位置/力混合控制器可以提供精確的位置和力跟蹤，但必須小心處理接觸約束。

D、 物理交互任務(wù)

? ? ?考慮涉及環(huán)境和空中機(jī)械臂之間力(或力矩)交換；物理交互任務(wù)可以簡(jiǎn)單分為以下幾類。

? ? ? ?1)?抓取和放置: 目標(biāo)是抓取或釋放一個(gè)不受環(huán)境限制的對(duì)象。這種相互作用只在抓取和放置作業(yè)中起作用，通常時(shí)間很短，在大多數(shù)情況下可以忽略不計(jì)。

? ? ? ?2) 點(diǎn)接觸: 目標(biāo)是保持環(huán)境和機(jī)器人末端執(zhí)行器在單個(gè)靜止點(diǎn)上的接觸。如果末端執(zhí)行器的位置受到約束，則挑戰(zhàn)在于控制相互作用力的大小和方向。另一方面，如果末端執(zhí)行器可以自由移動(dòng)，那么挑戰(zhàn)是多重的。

? ? ? ?3) 拉/推: 這個(gè)任務(wù)類似于點(diǎn)接觸，但交互點(diǎn)是非靜態(tài)的。相互作用曲面不受完全約束，可以在空間中沿一定方向移動(dòng)。當(dāng)機(jī)器人被要求拉動(dòng)一個(gè)物體時(shí)，末端執(zhí)行器的位置(也許是方向)通常被約束在交互點(diǎn)上。另一方面，當(dāng)要求機(jī)器人推動(dòng)物體時(shí)，只要作用力位于摩擦錐內(nèi)，末端執(zhí)行器與物體之間的機(jī)械約束就不需要。對(duì)于拉/推任務(wù)，額外的挑戰(zhàn)是需要考慮對(duì)象的動(dòng)力學(xué)，以及它的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束。經(jīng)典的推拉任務(wù)如：打開/關(guān)閉一個(gè)抽屜或一扇門。

? ? ? ?4) 滑動(dòng): 目標(biāo)是當(dāng)末端執(zhí)行器在靜止表面上運(yùn)動(dòng)時(shí)，保持末端執(zhí)行器與靜止表面的接觸。在控制問題中必須考慮靜動(dòng)摩擦，以避免滑移，保證接觸，并使末端執(zhí)行器沿期望軌跡運(yùn)動(dòng)。最流行的應(yīng)用是對(duì)罐體、管道和其他表面的連續(xù)接觸檢測(cè)。

? ? ? ?5) 插孔: 目的是將一個(gè)物體(附在末端執(zhí)行器上)插入一個(gè)孔中。如果物體和孔的尺寸差很小，這個(gè)操作就會(huì)變得非常困難。在插入過程中，末端執(zhí)行器的許多自由度受到約束。這既需要對(duì)環(huán)境的精確了解，也需要適當(dāng)?shù)淖杩箙?shù)來應(yīng)對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的誤差和不確定性。如果阻抗參數(shù)沒有處理好，高頻振動(dòng)和共振效應(yīng)可能導(dǎo)致機(jī)器人不穩(wěn)定或損壞。

? ? ? ?6)?操縱: 這一類任務(wù)包括所有需要施加特定力和力矩的操作。例如彎曲一根管子或一根棒子。

三、帶機(jī)械臂的空中平臺(tái)

A 、空中機(jī)械臂的形態(tài)

? ? ? ? 由于工業(yè)機(jī)械臂的廣泛使用，大量的空中機(jī)械臂原型機(jī)采用了上臂前臂配置，包括肩膀、肘關(guān)節(jié)和手腕關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)的數(shù)量和手臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)配置原則上是由操作任務(wù)中所需的靈巧程度決定的，從而最小化執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)量以減少總重量。冗余度和超冗余度機(jī)械手用于在與物體或環(huán)境交互時(shí)執(zhí)行需要末端執(zhí)行器適當(dāng)定位和姿態(tài)的任務(wù)。

B 、柔順

? ? ? 機(jī)器人操作中的柔順可以定義為機(jī)械臂在與環(huán)境(人或機(jī)器人)的物理交互過程中適應(yīng)產(chǎn)生的力的能力。直觀上，這個(gè)概念與關(guān)節(jié)或連桿的彈性行為有關(guān)。更正式地說，柔度可以表述為機(jī)械阻抗(或類似地，導(dǎo)納)，它將機(jī)械手的位置偏差與外力聯(lián)系起來，由慣量、阻尼和剛度表征。

? ? ? ?由于與機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)耦合可能會(huì)影響漂浮基座的穩(wěn)定性，因此對(duì)于與環(huán)境物理交互的空中機(jī)械臂來說，柔順性是非常理想的特征。

C、設(shè)計(jì)

? ? ? ?雖然機(jī)械臂應(yīng)該提供足夠的靈巧度來完成任務(wù)，但增加機(jī)械臂的關(guān)節(jié)數(shù)量會(huì)帶來一些問題。最明顯的是空中平臺(tái)的有效載荷能力和飛行時(shí)間的減少。

? ? ? 為此，空中機(jī)器人的設(shè)計(jì)中應(yīng)采用不同的方法來解決不同問題。

? ? ? ?1) 由有效載荷決定的設(shè)計(jì): 使用空中機(jī)器人完成包括抓取，安裝，或與預(yù)定義重量的設(shè)備進(jìn)行交互的任務(wù)。如果用戶要求使用特定的空中平臺(tái)，則機(jī)載系統(tǒng)的重量和有效載荷受電機(jī)的限制。例如，出于安全原因，可能會(huì)規(guī)定空中機(jī)械臂的最大總重量或最大尺寸。

? ? ? ?2) 由靈巧度決定的設(shè)計(jì): 關(guān)節(jié)數(shù)的設(shè)計(jì)是為了獲得完成任務(wù)所需的操作靈巧度。可以區(qū)分使用關(guān)節(jié)進(jìn)行末端執(zhí)行器的定位。插入操作和裝配操作是需要關(guān)節(jié)來確定手腕方向的例子。

D、單臂或雙臂

? ? ? ?在過去的十年中，大多數(shù)空中機(jī)械臂原型機(jī)都考慮將一個(gè)操縱器連接到飛機(jī)上，只有少數(shù)研究了使用兩個(gè)或三個(gè)臂。通過使用相同的手臂，簡(jiǎn)化了平臺(tái)上的集成，并可以使用類似肩膀的機(jī)械接口將手臂與平臺(tái)連接起來。

? ? ? ?雙臂系統(tǒng)的靈巧性和操作能力允許實(shí)現(xiàn)單機(jī)械手無法完成的任務(wù)。長物體的抓取和操作，如棒或管是一個(gè)明顯的例子，其中雙臂操作器的結(jié)果比單臂更方便。其他的例子有:閥門回轉(zhuǎn)，雙手協(xié)同抓取，以及一些裝配操作。多臂系統(tǒng)增加了有效載荷能力，擴(kuò)展了有效工作空間，并允許使用另一臂來部分抵消由一只手臂在空中平臺(tái)上引起的力或力矩。

E、控制

? ? ? ?從整體上看，空中平臺(tái)和機(jī)械臂的控制能力決定了空中系統(tǒng)的功能和潛在應(yīng)用。

? ? ? ?控制的思路主要有以下幾種；

? ? ? ?1) 解耦: 這些方法將飛行器和機(jī)械臂視為兩個(gè)獨(dú)立控制的子系統(tǒng)。假設(shè)機(jī)械手對(duì)航空平臺(tái)姿態(tài)和位置動(dòng)力學(xué)的影響相對(duì)較小。動(dòng)態(tài)耦合被忽略或至多作為一個(gè)干擾來補(bǔ)償。這激發(fā)了低重量和低慣量空中機(jī)器人的設(shè)計(jì)。解耦控制方法只有在準(zhǔn)靜態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)才能達(dá)到最佳效果。一旦運(yùn)動(dòng)在加速方面要求更高，這些方法就會(huì)失敗，或者在最好的情況下也會(huì)顯示出很大的跟蹤誤差。

? ? ? 2) 耦合: 這些方法將系統(tǒng)視為唯一實(shí)體。耦合控制方案的設(shè)計(jì)依賴于完整的動(dòng)態(tài)模型，該模型通過慣性矩陣明確地考慮了動(dòng)態(tài)耦合。因此，該方法更適合于動(dòng)態(tài)情況，在位置精度和穩(wěn)定性方面有更好的性能。

? ? ? 3) 部分耦合: 空中平臺(tái)和機(jī)械手的控制是獨(dú)立的，但控制器利用每個(gè)系統(tǒng)提供的信息來估計(jì)交互力/力矩，并提高復(fù)合的性能，通常是在定位精度方面。

? ? ? 4) 基于解耦的平面度: 該方法介于解耦和耦合方法之間。每個(gè)自由度都是獨(dú)立控制的，就像在解耦控制器中一樣，但整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是通過前饋項(xiàng)來考慮的。

F、 空中協(xié)同操縱

? ? ? ?為了處理單個(gè)空中機(jī)器人無法處理的過大或過重的物體，提出了協(xié)同操縱的概念。一個(gè)由多個(gè)空中機(jī)器人組成的團(tuán)隊(duì)被部署來運(yùn)輸和操縱一個(gè)共同的物體，同時(shí)通過它們的合作增加總載荷或臂長。

? ? ? ?主要有以下幾個(gè)研究方向：

? ? ? ?方向一：多個(gè)多旋翼機(jī)或直升機(jī)的懸索運(yùn)輸和操縱。

? ? ? ?方向二：將多個(gè)多旋翼直接或剛性連接在一個(gè)物體上，并將其用作分布式執(zhí)行器來運(yùn)輸和操縱該物體，從而克服單個(gè)空中機(jī)器人的局限性，同時(shí)保持機(jī)械簡(jiǎn)單性。

? ? ? ?方向三：混合部署空中和地面機(jī)器人以利用其互補(bǔ)能力的結(jié)果。

四、? 空中機(jī)器人的新一代

A. 挑戰(zhàn)

? ? ? ?（1）飛行時(shí)間和航程

? ? ? ?大多數(shù)空間機(jī)器人目前的飛行時(shí)間為分鐘或幾十分鐘，這對(duì)于許多實(shí)際應(yīng)用來說太短了。飛行時(shí)間的增加涉及到空中平臺(tái)的新配置、新能源甚至新的控制和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法。一些應(yīng)用還需要增加范圍，包括超出視覺視線的飛行，這也意味著遵守法規(guī)和安全規(guī)范。

? ? ? （2）與人和物體互動(dòng)的安全性

? ? ? ?多旋翼和直升機(jī)的螺旋槳的對(duì)靠近空中機(jī)器人的人員和貴重物品構(gòu)成威脅。這對(duì)于空中協(xié)同操縱等物理交互應(yīng)用尤其如此。因此，有必要開發(fā)更安全的平臺(tái)和新技術(shù)來提高安全性。

? ? ? （3）精確度

? ? ? ? 空中機(jī)械臂的精度取決于定位傳感器的精度，并且受到不可避免的擾動(dòng)的限制，例如陣風(fēng)和附近表面的空氣動(dòng)力效應(yīng)。其中一些影響可以建模和控制，但其他影響很難，尤其是在輕型飛機(jī)機(jī)載能力有限的情況下。

? ? ? ?（4）可靠的決策自主性

? ? ? ? ?當(dāng)前的空中機(jī)械臂通常需要人的監(jiān)督。通過考慮所有故障源和應(yīng)急措施，提高決策自主性應(yīng)涉及高可靠性。此外，各種挑戰(zhàn)之間也存在交叉效應(yīng)，例如，決策自主性的增加需要較高的機(jī)載計(jì)算能力，而這些能力受到有效載荷最小化的限制，以增加飛行時(shí)間和距離。

B.、解決方法

? ? ?（1）能源

? ? ? ?從節(jié)省能源的角度，可以考慮像鳥一樣停留在樹枝上，也可以考慮設(shè)計(jì)成混合式空地平臺(tái)，還可以考慮使用混合固定/旋轉(zhuǎn)翼平臺(tái)等。

? ? ? ?停留：大多數(shù)有關(guān)空中操縱的研究工作都假定操作是在飛行中進(jìn)行的。然而，在某些情況下，機(jī)器人可以停留在支柱或電纜等支撐結(jié)構(gòu)上，以避免能源浪費(fèi)并延長操作時(shí)間。

? ? ? ?混合式空地平臺(tái)：空中運(yùn)動(dòng)比地面運(yùn)動(dòng)需要更多的能量，混合式空地平臺(tái)可以飛到地面、陸地?zé)o法進(jìn)入的地點(diǎn)，最后從地面或附著在靜態(tài)表面執(zhí)行任務(wù)。這節(jié)省了能源并增加了操作時(shí)間。

? ? ? ? 混合固定/旋轉(zhuǎn)翼平臺(tái)：這包括將固定翼（長飛行時(shí)間和航程）和旋轉(zhuǎn)翼（垂直起飛、著陸和懸停）的有益特性結(jié)合在一起的空中平臺(tái)。

? ? ? ? 變形和仿生方法：其中包括以鳥類和昆蟲為靈感的配置。特別是，變形技術(shù)可以應(yīng)用于在低阻力配置（通常在固定機(jī)翼中）和高升力配置之間進(jìn)行切換，以避免低速失速甚至懸停。研究表明，拍打飛行比旋轉(zhuǎn)翼飛行效率更高。節(jié)能的關(guān)鍵是滑翔和撲翼的最佳組合。然而，到目前為止，撲翼平臺(tái)還沒有被用于空中操縱。

? ? ? （2）安全性

? ? ? 它涉及信息處理和物理交互。前者與態(tài)勢(shì)感知相關(guān)，包括用于碰撞檢測(cè)和避免的環(huán)境感知。后者與空中機(jī)械臂與人類的物理交互有關(guān)，例如，在高空提供工具或幫助操作任務(wù)。

? ? ?（3）精確度

? ? ? ? 考慮對(duì)氣動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行建模和控制，以提高空中機(jī)械手自由飛行的精度。氣流的感應(yīng)、控制頻率的增加，也可用于消除擾動(dòng)并提高精度。由于很難消除所有擾動(dòng)，另一種策略是在停留或用另一只手臂固定支撐的同時(shí)操縱環(huán)境。

? ? ? （4）決策自主性和可靠性

? ? ? ? 自主功能實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性與環(huán)境條件有關(guān)，同時(shí)標(biāo)記的使用有助于自主感知。然而，照明條件的變化（通常在室外）起著重要作用。另一方面，擾動(dòng)是不可避免的，需要根據(jù)對(duì)環(huán)境的感知提供反應(yīng)。

? ? ? ? 在操縱操作期間，外部擾動(dòng)很可能會(huì)產(chǎn)生碰撞。通過柔度可以大大降低這些碰撞的影響。然而，柔度會(huì)降低精度。因此，自適應(yīng)柔順應(yīng)該是未來空中機(jī)械手的一個(gè)特征。

? ? ? ? 決策自主性與機(jī)載傳感、驅(qū)動(dòng)和計(jì)算能力有關(guān)。然而，實(shí)現(xiàn)這些功能的硬件受到重量和能耗的限制。未來的處理器將支持該實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

【1】Ollero A, Tognon M, Suarez A, et al. Past, present, and future of aerial robotic manipulators[J]. IEEE Transactions on Robotics, 2021, 38(1): 626-645.