1.?什么是空中作業(yè)機(jī)器人

目前，無(wú)人機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景，還主要集中在與環(huán)境沒(méi)有交互的任務(wù)，比如：航拍、測(cè)繪、巡線等。這些任務(wù)主要是解決“看”的問(wèn)題，無(wú)人機(jī)在這些任務(wù)上已經(jīng)發(fā)展多年，潛在的市場(chǎng)已經(jīng)逐漸被挖掘?？罩凶鳂I(yè)機(jī)器人是一種新型的機(jī)器人，其兼具無(wú)人機(jī)的快速空間移動(dòng)能力和機(jī)械臂的精確操縱能力。簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)，可以將空中作業(yè)機(jī)器人看做是無(wú)人機(jī)和作業(yè)機(jī)構(gòu)的結(jié)合。具有無(wú)人機(jī)和作業(yè)機(jī)構(gòu)二重能力的空中作業(yè)機(jī)器人，可以拓展無(wú)人機(jī)的應(yīng)用的場(chǎng)景，讓無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)從“看”向“做”的跨越。這將打破無(wú)人機(jī)的傳統(tǒng)認(rèn)知，將無(wú)人機(jī)從飛行的相機(jī)向飛行的操縱手推動(dòng)。將會(huì)極大的拓展無(wú)人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，創(chuàng)造出更多的市場(chǎng)。

相比于無(wú)人機(jī)而言，空中作業(yè)機(jī)器人具有哪些額外的能力呢？首先，空中作業(yè)機(jī)器人具有更高精度的操縱能力，由于機(jī)械臂的補(bǔ)償作用，其末端精度相較于無(wú)人機(jī)的位置控制精度，會(huì)顯著提高。其次，空中作業(yè)機(jī)器人具有和環(huán)境接觸式交互的能力，空中作業(yè)機(jī)器人可以在混合力/位控制器的作用下，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的接觸交互，具有接觸能力的空中作業(yè)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)抓取、接觸式檢測(cè)等無(wú)人機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的任務(wù)。最后，空中作業(yè)機(jī)器人比無(wú)人機(jī)更像機(jī)器人，具有更高的擴(kuò)展性，能夠應(yīng)對(duì)更復(fù)雜的場(chǎng)景。

2.?空中作業(yè)機(jī)器人的分類

空中作業(yè)機(jī)器人包含兩部分：無(wú)人機(jī)平臺(tái)和作業(yè)機(jī)構(gòu)。應(yīng)用于空中作業(yè)機(jī)器人的無(wú)人機(jī)平臺(tái)包括直升機(jī)、四旋翼無(wú)人機(jī)、多旋翼無(wú)人機(jī)和全驅(qū)動(dòng)多旋翼無(wú)人機(jī)。前三個(gè)種類型的平臺(tái)沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別，都是欠驅(qū)動(dòng)的，可控的自由度為4個(gè)（三個(gè)方向的位置+偏航角）。全驅(qū)動(dòng)多旋翼無(wú)人機(jī)為新型無(wú)人機(jī)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)六個(gè)自由度的控制。欠驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的可靠性高，技術(shù)成熟，但是會(huì)給系統(tǒng)引入欠驅(qū)動(dòng)特性，會(huì)造成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度增加。全驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的控制靈活性高，作業(yè)區(qū)域廣，非常適合空中作業(yè)機(jī)器人，但是平臺(tái)技術(shù)復(fù)雜且可靠性低。

常見(jiàn)的作業(yè)機(jī)構(gòu)類型包括：直連式、纜索式、串聯(lián)式和并聯(lián)式四種：

（1）?直連式

直連式將作業(yè)機(jī)構(gòu)直接連接在無(wú)人機(jī)上。直連式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，非常適合交互性很強(qiáng)的場(chǎng)景，比如接觸式檢測(cè)。直連式的缺點(diǎn)也非常明顯，由于缺乏作業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)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(wú)人機(jī)的控制精度，其精度比較低下。圖 3是塞維利亞大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的一款直連式空中作業(yè)機(jī)器人，由于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)，該機(jī)器人可以直接將末端和墻面、樹(shù)干等物體直接接觸。

（2）纜索式

纜索式將末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)和無(wú)人機(jī)通過(guò)纜索相連。該方式的優(yōu)點(diǎn)是作業(yè)距離長(zhǎng)，可以對(duì)一些無(wú)人機(jī)無(wú)人進(jìn)入的場(chǎng)景（如密集的油氣管道、水下）進(jìn)行作業(yè)任務(wù)。其缺點(diǎn)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(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的晃動(dòng)是很難消除的，因此纜索式空中作業(yè)機(jī)器人比較適合于對(duì)控制精度沒(méi)有要求而無(wú)人機(jī)難以到達(dá)的任務(wù)，可以用于復(fù)雜場(chǎng)景的搬運(yùn)或者用于水質(zhì)采樣等場(chǎng)景。

（3）串聯(lián)式

串聯(lián)式主要指采用無(wú)人機(jī)和串聯(lián)機(jī)械臂相結(jié)合的空中作業(yè)機(jī)器人。該類型的優(yōu)點(diǎn)為自由度高、操縱能力強(qiáng)，可以用于大量需要較高精度操縱的場(chǎng)景。其缺點(diǎn)在于控制算法復(fù)雜，因?yàn)闊o(wú)人機(jī)和機(jī)械臂之間的動(dòng)力學(xué)耦合，會(huì)造成二者的運(yùn)動(dòng)會(huì)相互干擾，因此控制算法的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。串聯(lián)式是空中作業(yè)機(jī)器人的熱門方向，目前大部分的研究都是針對(duì)串聯(lián)式空中作業(yè)機(jī)器人。搭配合適的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，串聯(lián)式空中作業(yè)機(jī)器人可以應(yīng)用于抓取、噴涂、閥門操縱等一些列任務(wù)中。

（4）并聯(lián)式

并聯(lián)式將無(wú)人機(jī)和并聯(lián)機(jī)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(jī)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(chǎng)景。比如，用并聯(lián)式空中作業(yè)機(jī)器人進(jìn)行抓取[9]、寫字[10]等。圖 6為西湖大學(xué)智能無(wú)人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的并聯(lián)式空中作業(yè)機(jī)器人，其末端精度可以達(dá)到1 cm。

3.?總結(jié)

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

空中作業(yè)機(jī)器人雖然由無(wú)人機(jī)和作業(yè)機(jī)構(gòu)組成，是不是簡(jiǎn)單地把這二者結(jié)合起來(lái)就可以了呢？答案顯然是否定的，無(wú)人機(jī)和機(jī)械臂組成的多體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的控制是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題。同時(shí)，旋翼電機(jī)和作業(yè)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的不同，這也影響了空中作業(yè)機(jī)器人控制算法的實(shí)現(xiàn)。此外，由于空中作業(yè)機(jī)器人在任務(wù)過(guò)程中，往往與環(huán)境存在力接觸，因此對(duì)接觸力的控制也是空中作業(yè)機(jī)器人的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

總的來(lái)說(shuō)，空中作業(yè)機(jī)器人目前還是“美好的明天”，在“明天”到來(lái)前，還有很多研究工作需要推進(jìn)起來(lái)。

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本文由西湖大學(xué)智能無(wú)人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室博士后曹華姿原創(chuàng)，

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