導(dǎo)語：空中機(jī)械臂多任務(wù)操作為何需要全身運(yùn)動(dòng)規(guī)劃？
空中機(jī)械臂結(jié)合了無人機(jī)的快速移動(dòng)能力和機(jī)械臂的精細(xì)操作能力，能夠在三維空間中完成擊打、抓取、推拉、書寫等復(fù)雜操作任務(wù)。然而，現(xiàn)有空中機(jī)械臂算法和硬件系統(tǒng)多針對(duì)單一任務(wù)設(shè)計(jì)，缺乏統(tǒng)一的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃框架，難以支持多樣化操作。
在這一背景下，來自中山大學(xué)呂熙敏團(tuán)隊(duì)的研究工作提出了一種空中機(jī)械臂全身集成運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，并通過 NOKOV 度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng) 對(duì)規(guī)劃軌跡與執(zhí)行效果進(jìn)行了系統(tǒng)驗(yàn)證。
一、研究背景：空中機(jī)械臂全身運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的核心挑戰(zhàn)
對(duì)于空中機(jī)械臂而言，真正的挑戰(zhàn)不僅在于飛行控制，而在于：
無人機(jī)與機(jī)械臂的耦合運(yùn)動(dòng)建模
任務(wù)執(zhí)行過程中碰撞體積動(dòng)態(tài)變化
大姿態(tài)機(jī)動(dòng)條件下的軌跡可行性與安全性
多種操作任務(wù)的統(tǒng)一規(guī)劃表示
該研究成果《Whole-Body Integrated Motion Planning for Aerial Manipulators》已被機(jī)器人領(lǐng)域頂級(jí)期刊 IEEE Transactions on Robotics（T-RO） 接收。
二、研究方法概述：全身集成運(yùn)動(dòng)規(guī)劃 + 動(dòng)作捕捉驗(yàn)證
該框架從整體系統(tǒng)角度出發(fā)，將無人機(jī)本體、機(jī)械臂構(gòu)型與任務(wù)約束統(tǒng)一納入規(guī)劃過程，并在仿真與真實(shí)實(shí)驗(yàn)中，通過 NOKOV 度量動(dòng)作捕捉 獲取高精度位姿與軌跡數(shù)據(jù)，用于：
規(guī)劃軌跡精度評(píng)估
大姿態(tài)機(jī)動(dòng)過程驗(yàn)證
末端執(zhí)行器空間約束分析
圖1：使用全身集成運(yùn)動(dòng)規(guī)劃進(jìn)行空中擊打的演示。(a) 空中機(jī)械臂執(zhí)行規(guī)劃軌跡到達(dá)約束路徑點(diǎn)，保持與傾斜平面平行的姿態(tài)，同時(shí)配置Delta機(jī)械臂進(jìn)行氣球擊打。(b) 運(yùn)動(dòng)軌跡的延時(shí)可視化。
三、關(guān)鍵技術(shù)拆解
1、關(guān)鍵技術(shù)一：動(dòng)態(tài)碰撞體積擬合（NOKOV 動(dòng)作捕捉輔助驗(yàn)證）
傳統(tǒng)無人機(jī)規(guī)劃多采用固定球體或橢球體進(jìn)行碰撞建模，無法適應(yīng)空中機(jī)械臂在操作過程中機(jī)械臂不斷伸縮帶來的體積變化。
該研究提出了一種動(dòng)態(tài)橢球碰撞體積擬合方法：
根據(jù)機(jī)械臂伸出長(zhǎng)度動(dòng)態(tài)調(diào)整橢球在 z 軸方向的尺寸
在保證安全性的同時(shí)提升操作靈活性
在實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用 NOKOV 度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng) 精確記錄機(jī)械臂展開與收回狀態(tài)下的真實(shí)空間包絡(luò)，為碰撞體積建模提供客觀驗(yàn)證數(shù)據(jù)。
圖2：主動(dòng)飛行走廊生成方式。
圖3：飛行走廊生成的消融實(shí)驗(yàn)。從結(jié)果可以看到，該方法能夠保證路徑點(diǎn)約束附近有足夠解空間并且緊密貼合斜面。
圖4：使用動(dòng)態(tài)橢球來擬合空中機(jī)械臂的碰撞體積。
2、關(guān)鍵技術(shù)二：靈活路徑點(diǎn)約束系統(tǒng)支持多任務(wù)操作
為支持不同操作任務(wù)，研究提出三類路徑點(diǎn)約束：
約束類型 描述 典型任務(wù)
點(diǎn)約束 經(jīng)過空間指定點(diǎn) 抓取、擊打
線約束 沿軸線運(yùn)動(dòng) 推物體
面約束 保持在同一平面 寫字、拉動(dòng)
通過 NOKOV 度量動(dòng)作捕捉，對(duì)末端執(zhí)行器軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，可驗(yàn)證路徑點(diǎn)約束在真實(shí)空間中的執(zhí)行一致性。
圖5：不同的子任務(wù)通過路徑點(diǎn)約束分解。
3、模仿學(xué)習(xí)引導(dǎo)優(yōu)化：解決大姿態(tài)機(jī)動(dòng)難題
在大姿態(tài)機(jī)動(dòng)（如 roll 角 > 45°）條件下，傳統(tǒng)優(yōu)化方法容易陷入次優(yōu)解。
該研究通過分析成功軌跡發(fā)現(xiàn)：
無人機(jī)在大姿態(tài)機(jī)動(dòng)中更傾向于形成“弧形”飛行軌跡。
研究人員引入模仿學(xué)習(xí)先驗(yàn)，在優(yōu)化預(yù)熱階段施加引導(dǎo)點(diǎn)約束，隨后釋放約束以獲得更優(yōu)解。
整個(gè)過程中，NOKOV 度量動(dòng)作捕捉用于記錄真實(shí)飛行姿態(tài)變化，為模仿學(xué)習(xí)軌跡提供高精度數(shù)據(jù)支撐。
圖6：引導(dǎo)優(yōu)化的消融實(shí)驗(yàn)，比較了多項(xiàng)式軌跡和離散點(diǎn)的兩種學(xué)習(xí)方法，并采用不同引導(dǎo)點(diǎn)數(shù)量來觀察效果。
圖7：隨機(jī)采樣場(chǎng)景下，使用不同方法進(jìn)行收斂曲線的比較。
四、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：基于 NOKOV 度量動(dòng)作捕捉的仿真與測(cè)試
仿真驗(yàn)證機(jī)械臂構(gòu)型
伸縮式機(jī)械臂
1DOF 機(jī)械臂
2DOF 機(jī)械臂
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，末端執(zhí)行器軌跡均被穩(wěn)定約束在各自工作空間內(nèi)，并成功完成抓取任務(wù)。
NOKOV 度量動(dòng)作捕捉在仿真與真實(shí)系統(tǒng)之間提供統(tǒng)一的位姿對(duì)比基準(zhǔn)。
圖8：不同配置的空中機(jī)械臂在抓取任務(wù)上，末端執(zhí)行器的移動(dòng)效果。
五、應(yīng)用場(chǎng)景：空中機(jī)械臂多任務(wù)能力驗(yàn)證
該框架成功演示了九種基礎(chǔ)操作技能：擊打、抓取、推、拉、提、按、繞線、穿越、寫字。
其中擊打與抓取任務(wù)涉及大傾斜角度飛行，通過 NOKOV 度量動(dòng)作捕捉 精確記錄無人機(jī)與末端執(zhí)行器的協(xié)同運(yùn)動(dòng)過程。研究中空中機(jī)械臂展示的多種操作技能，可直接推動(dòng)無人機(jī)在巡檢擰栓、救援清障、物流抓取等復(fù)雜場(chǎng)景中的實(shí)際應(yīng)用。
六、NOKOV 度量動(dòng)作捕捉在空中機(jī)械臂研究中的作用
通過該研究可以看到，NOKOV 度量動(dòng)作捕捉 在空中機(jī)械臂全身運(yùn)動(dòng)規(guī)劃中發(fā)揮了關(guān)鍵作用：
提供高精度位姿與軌跡數(shù)據(jù)
支持復(fù)雜大姿態(tài)機(jī)動(dòng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
為多任務(wù)統(tǒng)一規(guī)劃提供客觀評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)
該成果為未來空中機(jī)器人多任務(wù)操作、復(fù)雜環(huán)境作業(yè)提供了可擴(kuò)展的技術(shù)路徑。
七、關(guān)于空中機(jī)械臂全身運(yùn)動(dòng)規(guī)劃研究的FQA
Q1：空中機(jī)械臂全身運(yùn)動(dòng)規(guī)劃研究解決了空中機(jī)械臂領(lǐng)域的什么核心問題？
A1：該研究提出了一種統(tǒng)一的全身集成運(yùn)動(dòng)規(guī)劃框架，解決了空中機(jī)械臂只能執(zhí)行單一預(yù)設(shè)任務(wù)的問題，使無人機(jī)與機(jī)械臂能夠在同一規(guī)劃體系下完成多種復(fù)雜操作。
Q2：為什么這項(xiàng)空中機(jī)械臂全身規(guī)劃研究需要?jiǎng)幼鞑蹲较到y(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證？
A2： 在復(fù)雜的大姿態(tài)機(jī)動(dòng)（如大幅傾斜飛行）和精細(xì)操作任務(wù)中，對(duì)無人機(jī)和機(jī)械臂末端執(zhí)行器的位姿進(jìn)行毫米級(jí)、高頻率的精確測(cè)量至關(guān)重要。NOKOV度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng)為此提供了 “黃金標(biāo)準(zhǔn)”般的真值數(shù)據(jù)。其作用主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：1）驗(yàn)證規(guī)劃軌跡：精確評(píng)估算法生成的軌跡在實(shí)際執(zhí)行中與預(yù)期的偏差；2）支持算法開發(fā)：為“模仿學(xué)習(xí)引導(dǎo)優(yōu)化”等算法提供高質(zhì)量的真實(shí)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)；3）量化評(píng)估多任務(wù)性能：為抓取、擊打等不同操作技能提供一個(gè)客觀、統(tǒng)一的精度評(píng)估基準(zhǔn)。
Q3：呂熙敏團(tuán)隊(duì)的工作對(duì)空中機(jī)械臂研究者有什么參考價(jià)值？
A3：該工作為多任務(wù)空中操作提供了可復(fù)用的規(guī)劃建模思路，尤其在復(fù)雜約束條件和大姿態(tài)機(jī)動(dòng)場(chǎng)景下，為后續(xù)算法研究和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)提供了統(tǒng)一框架參考。
Q4：研究中“動(dòng)態(tài)碰撞體積擬合”解決了什么問題？
A4： 解決了機(jī)械臂伸縮導(dǎo)致系統(tǒng)形狀變化的安全規(guī)劃難題。該技術(shù)能 動(dòng)態(tài)調(diào)整安全避障的包圍體積，在保障安全的同時(shí)，大幅提升了在狹窄空間的操作靈活度。
八、論文信息
中山大學(xué)的呂熙敏團(tuán)隊(duì)的論文《Whole-Body Integrated Motion Planning for Aerial Manipulators》已被機(jī)器人領(lǐng)域頂級(jí)期刊IEEE Transactions on Robotics接收。
引用格式
Deng W, Chen H, Ye B, et al. Whole-body integrated motion planning for aerial manipulators[J]. IEEE Transactions on Robotics, 2025, 41: 6661-6679.
