近期，西湖大學(xué)工學(xué)院趙世鈺團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型空中作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)——飛行工具箱（FlyingToolbox）。他們結(jié)合多旋翼無人機(jī)與高自由度機(jī)械臂，在國際上突破性地實(shí)現(xiàn)了豎疊飛行條件下，亞厘米級(jí)精度的空中工具交換和操作任務(wù)，為無人機(jī)近距飛行的操控難題提供了一種新的解決方案。

（來源：西湖大學(xué)）

此前，無人機(jī)領(lǐng)域的大部分認(rèn)識(shí)是：由于風(fēng)擾等因素會(huì)造成安全隱患，無人機(jī)近距離豎疊飛行是危險(xiǎn)且應(yīng)該避免的。但是，該工作反其道而行之，突破了人們的常規(guī)認(rèn)識(shí)，讓“不可能”變成了“可能”。

該技術(shù)有望解鎖空中需要緊密配合作業(yè)的場景，例如無人機(jī)空中換電、材料補(bǔ)給、噴涂材料、高空建筑清潔等。目前，該團(tuán)隊(duì)已將技術(shù)的相關(guān)代碼和機(jī)械設(shè)計(jì)開源，希望幫助更多科研人員在這項(xiàng)研究基礎(chǔ)上，開發(fā)出更有趣、更復(fù)雜的空中協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)。

圖丨趙世鈺教授團(tuán)隊(duì)（來源：西湖大學(xué)）

近日，相關(guān)論文以《近距離豎疊無人機(jī)協(xié)同操作》（Proximal cooperative aerial manipulation with vertically stacked drones）為題發(fā)表在 Nature[1]。西湖大學(xué)副研究員曹華姿是第一作者，趙世鈺擔(dān)任通訊作者。

圖丨相關(guān)論文（來源：Nature）

受蜂鳥采蜜靈感啟發(fā)，讓無人機(jī)也能空中精準(zhǔn)對(duì)接

當(dāng)下，無人機(jī)多被用于空中拍攝以及載物或載人。而空中作業(yè)機(jī)器人除了具備六個(gè)自由度的剛體機(jī)身之外，還具有高自由度機(jī)械臂等結(jié)構(gòu)，可執(zhí)行空中作業(yè)任務(wù)。

但問題在于，單一機(jī)器人往往難以完成復(fù)雜的空中作業(yè)任務(wù)。在綜合考慮成本、便捷性和安全性等因素后，研究團(tuán)隊(duì)決定使用多個(gè)小型的旋翼無人機(jī)，通過協(xié)作來完成復(fù)雜作業(yè)任務(wù)，而不是使用單個(gè)“巨無霸”無人機(jī)。

這項(xiàng)研究源于趙世鈺異想天開的一個(gè)想法。當(dāng)時(shí)，他看到蜂鳥在空中對(duì)接花朵采蜜的行為：蜂鳥在空中飛行，花朵也一直在動(dòng)，但蜂鳥卻能很好地把嘴伸到花蕊中。受此啟發(fā)，他提出，是不是無人機(jī)也可以做類似的空中對(duì)接呢？

對(duì)接精度比現(xiàn)有系統(tǒng)提升約 1 個(gè)數(shù)量級(jí)

基于此，研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一套 FlyingToolbox 系統(tǒng)，其核心模塊包括控制算法、高自由度機(jī)械臂和工具箱。

趙世鈺對(duì) DeepTech 解釋說道：“這里機(jī)械臂的作用是將工具‘拿’出來或者‘放’回去。我們還可以引入更多無人機(jī)，這種工具箱的作用類似于空中航母或空中加油機(jī)。它可在空中懸停，然后不同的無人機(jī)可按序飛來選取不同的工具，來完成長序列、多場景的復(fù)雜的任務(wù)?！?/p>

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了亞厘米級(jí)的空中精度對(duì)接，這背后離不開研究團(tuán)隊(duì)陸續(xù)解決一系列技術(shù)和工程挑戰(zhàn)。

圖丨 FlyingToolbox 系統(tǒng)的組成（來源：Nature）

首先，當(dāng)兩個(gè)無人機(jī)距離很近（約 0.6 米-1 米）時(shí)，上方無人機(jī)會(huì)在下方產(chǎn)生 13.18 米/秒的氣流干擾，此時(shí)想實(shí)現(xiàn)下方的無人機(jī)“紋絲不動(dòng)”是非常困難的。

為解決該問題，研究人員設(shè)計(jì)了一種算法，通過多層感知機(jī)和高斯模型準(zhǔn)確估計(jì)強(qiáng)風(fēng)對(duì)下方無人機(jī)的擾動(dòng)，并將這種擾動(dòng)補(bǔ)償到對(duì)其控制中，為對(duì)接的穩(wěn)定性提供了保障。

另一方面，為實(shí)現(xiàn)對(duì)接成功和準(zhǔn)確，他們還設(shè)計(jì)了一種柔性電磁對(duì)接機(jī)構(gòu)，讓兩架無人機(jī)在即便位姿不太一致情況下，也能穩(wěn)定對(duì)接。

圖丨柔性電磁對(duì)接機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和原理（來源：西湖大學(xué)）

趙世鈺指出，這是一項(xiàng)全新的系統(tǒng)，我們并沒有太多的經(jīng)驗(yàn)可參考，只能摸著石頭過河。整個(gè)系統(tǒng)也是我們?cè)诓粩嗝髦醒邪l(fā)出來的，團(tuán)隊(duì)在技術(shù)、工程方面做了大量工作。

與此同時(shí)，研究人員將對(duì)接精度與現(xiàn)有的系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比，相較于現(xiàn)有系統(tǒng)，該系統(tǒng)在精度方面實(shí)現(xiàn)了顯著提升。

例如，在一個(gè)現(xiàn)有類似的工作中，上方無人機(jī)下部有吊環(huán)，下方無人機(jī)上部有鉤子，它們的任務(wù)是讓鉤子準(zhǔn)確地掛在環(huán)上。但由于其沒有機(jī)械臂補(bǔ)償，也不是對(duì)接的情況，它的精度僅在 6-8 厘米左右。

圖丨各種操作工具（來源：Nature）

該研究中 20 次連續(xù)對(duì)接實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示，F(xiàn)lyingToolbox 實(shí)現(xiàn)了平均 0.80±0.33 厘米的高精度對(duì)接?！斑@相當(dāng)于在六級(jí)強(qiáng)風(fēng)下，我們的空中作業(yè)機(jī)器人仍能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定對(duì)接，精度比現(xiàn)有系統(tǒng)提升了約 1 個(gè)數(shù)量級(jí)?！壁w世鈺表示。

終將科幻的想象變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)

西湖大學(xué)智能無人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室（WINDY Lab）的主要研究方向包括群體智能和空中作業(yè)機(jī)器人。群體智能主要聚焦于機(jī)器人之間如何協(xié)調(diào)的問題；而空中作業(yè)機(jī)器人則橫跨低空經(jīng)濟(jì)和具身智能兩大領(lǐng)域。

“在我們近三年的科研攻關(guān)過程中，我們克服了太多的困難。在我看來這個(gè)研究如果失敗是很正常的，而獲得成功是偶然的。”趙世鈺不禁感慨道。

圖丨機(jī)械臂與末端工具的對(duì)接過程（來源：Nature）

轉(zhuǎn)折發(fā)生在 2023 年底，研究團(tuán)隊(duì)在經(jīng)歷無數(shù)次失敗和反復(fù)調(diào)整后，第一次實(shí)現(xiàn)對(duì)接成功。當(dāng)時(shí)，趙世鈺在實(shí)驗(yàn)室的微信群中留言：“我們終于把科幻的想象變成了現(xiàn)實(shí)?！焙髞?，又經(jīng)過近一年的優(yōu)化和打磨才完成了投稿，成果最終登上了 Nature。

“盡管目前無人機(jī)的產(chǎn)業(yè)化已比較多，但空中作業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化相對(duì)較少，我們的研究也為相關(guān)產(chǎn)業(yè)打了一針‘強(qiáng)心劑’?！壁w世鈺表示。據(jù)了解，該團(tuán)隊(duì)有產(chǎn)業(yè)化的計(jì)劃，他們希望將空中作業(yè)機(jī)器人技術(shù)在工業(yè)界落地。

在接下來的研究階段，該團(tuán)隊(duì)將同時(shí)推進(jìn)“向上”和“向下”兩個(gè)方面。具體而言，“向上”更偏向于科研，他們以打造更敏捷、更穩(wěn)定、更高精度，執(zhí)行更多樣操作的機(jī)器人為目標(biāo)；“向下”是推動(dòng)技術(shù)落地，旨在以滿足用戶需求為導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)更好的落地。

參考資料：

1.Cao, H., Shen, J., Zhang, Y., Fu,Z., Liu,C., Sun,S., Zhao,S. Proximal cooperative aerial manipulation with vertically stacked drones. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09575-x

排版：劉雅坤