導(dǎo)語：空中機械臂多任務(wù)操作為何需要全身運動規(guī)劃？

空中機械臂結(jié)合了無人機的快速移動能力和機械臂的精細(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)有空中機械臂算法和硬件系統(tǒng)多針對單一任務(wù)設(shè)計，缺乏統(tǒng)一的運動規(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)隊的研究工作提出了一種空中機械臂全身集成運動規(guī)劃方法，并通過 NOKOV 度量動作捕捉系統(tǒng) 對規(guī)劃軌跡與執(zhí)行效果進(jìn)行了系統(tǒng)驗證。

一、研究背景：空中機械臂全身運動規(guī)劃的核心挑戰(zhàn)

對于空中機械臂而言，真正的挑戰(zhàn)不僅在于飛行控制，而在于：

無人機與機械臂的耦合運動建模

任務(wù)執(zhí)行過程中碰撞體積動態(tài)變化

大姿態(tài)機動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》已被機器人領(lǐng)域頂級期刊 IEEE Transactions on Robotics（T-RO） 接收。

二、研究方法概述：全身集成運動規(guī)劃 + 動作捕捉驗證

該框架從整體系統(tǒng)角度出發(fā)，將無人機本體、機械臂構(gòu)型與任務(wù)約束統(tǒng)一納入規(guī)劃過程，并在仿真與真實實驗中，通過 NOKOV 度量動作捕捉 獲取高精度位姿與軌跡數(shù)據(jù)，用于：

規(guī)劃軌跡精度評估

大姿態(tài)機動過程驗證

末端執(zhí)行器空間約束分析

圖1：使用全身集成運動規(guī)劃進(jìn)行空中擊打的演示。(a) 空中機械臂執(zhí)行規(guī)劃軌跡到達(dá)約束路徑點，保持與傾斜平面平行的姿態(tài)，同時配置Delta機械臂進(jìn)行氣球擊打。(b) 運動軌跡的延時可視化。

三、關(guān)鍵技術(shù)拆解

1、關(guān)鍵技術(shù)一：動態(tài)碰撞體積擬合（NOKOV 動作捕捉輔助驗證）

傳統(tǒng)無人機規(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)空中機械臂在操作過程中機械臂不斷伸縮帶來的體積變化。

該研究提出了一種動態(tài)橢球碰撞體積擬合方法：

根據(jù)機械臂伸出長度動態(tài)調(diào)整橢球在 z 軸方向的尺寸

在保證安全性的同時提升操作靈活性

在實驗中，研究人員使用 NOKOV 度量動作捕捉系統(tǒng) 精確記錄機械臂展開與收回狀態(tài)下的真實空間包絡(luò)，為碰撞體積建模提供客觀驗證數(shù)據(jù)。

圖2：主動飛行走廊生成方式。

圖3：飛行走廊生成的消融實驗。從結(jié)果可以看到，該方法能夠保證路徑點約束附近有足夠解空間并且緊密貼合斜面。

圖4：使用動態(tài)橢球來擬合空中機械臂的碰撞體積。

2、關(guān)鍵技術(shù)二：靈活路徑點約束系統(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約束：

約束類型 描述 典型任務(wù)

點約束 經(jīng)過空間指定點 抓取、擊打

線約束 沿軸線運動 推物體

面約束 保持在同一平面 寫字、拉動

通過 NOKOV 度量動作捕捉，對末端執(zhí)行器軌跡進(jìn)行實時采集，可驗證路徑點約束在真實空間中的執(zhí)行一致性。

圖5：不同的子任務(wù)通過路徑點約束分解。

3、模仿學(xué)習(xí)引導(dǎo)優(yōu)化：解決大姿態(tài)機動難題

在大姿態(tài)機動（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)：

無人機在大姿態(tài)機動中更傾向于形成“弧形”飛行軌跡。

研究人員引入模仿學(xué)習(xí)先驗，在優(yōu)化預(yù)熱階段施加引導(dǎo)點約束，隨后釋放約束以獲得更優(yōu)解。

整個過程中，NOKOV 度量動作捕捉用于記錄真實飛行姿態(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)化的消融實驗，比較了多項式軌跡和離散點的兩種學(xué)習(xí)方法，并采用不同引導(dǎo)點數(shù)量來觀察效果。

圖7：隨機采樣場景下，使用不同方法進(jìn)行收斂曲線的比較。

四、實驗驗證：基于 NOKOV 度量動作捕捉的仿真與測試

仿真驗證機械臂構(gòu)型

伸縮式機械臂

1DOF 機械臂

2DOF 機械臂

實驗結(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 度量動作捕捉在仿真與真實系統(tǒng)之間提供統(tǒng)一的位姿對比基準(zhǔn)。

圖8：不同配置的空中機械臂在抓取任務(wù)上，末端執(zhí)行器的移動效果。

五、應(yīng)用場景：空中機械臂多任務(wù)能力驗證

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 度量動作捕捉 精確記錄無人機與末端執(zhí)行器的協(xié)同運動過程。研究中空中機械臂展示的多種操作技能，可直接推動無人機在巡檢擰栓、救援清障、物流抓取等復(fù)雜場景中的實際應(yīng)用。

六、NOKOV 度量動作捕捉在空中機械臂研究中的作用

通過該研究可以看到，NOKOV 度量動作捕捉 在空中機械臂全身運動規(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)機動實驗驗證

為多任務(wù)統(tǒng)一規(guī)劃提供客觀評估標(biāo)準(zhǔn)

該成果為未來空中機器人多任務(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)于空中機械臂全身運動規(guī)劃研究的FQA

Q1：空中機械臂全身運動規(guī)劃研究解決了空中機械臂領(lǐng)域的什么核心問題？

A1：該研究提出了一種統(tǒng)一的全身集成運動規(guī)劃框架，解決了空中機械臂只能執(zhí)行單一預(yù)設(shè)任務(wù)的問題，使無人機與機械臂能夠在同一規(guī)劃體系下完成多種復(fù)雜操作。

Q2：為什么這項空中機械臂全身規(guī)劃研究需要動作捕捉系統(tǒng)進(jìn)行驗證？

A2： 在復(fù)雜的大姿態(tài)機動（如大幅傾斜飛行）和精細(xì)操作任務(wù)中，對無人機和機械臂末端執(zhí)行器的位姿進(jìn)行毫米級、高頻率的精確測量至關(guān)重要。NOKOV度量動作捕捉系統(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)在三個方面：1）驗證規(guī)劃軌跡：精確評估算法生成的軌跡在實際執(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)量的真實運動數(shù)據(jù)；3）量化評估多任務(wù)性能：為抓取、擊打等不同操作技能提供一個客觀、統(tǒng)一的精度評估基準(zhǔn)。

Q3：呂熙敏團(tuán)隊的工作對空中機械臂研究者有什么參考價值？

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)機動場景下，為后續(xù)算法研究和系統(tǒng)實現(xiàn)提供了統(tǒng)一框架參考。

Q4：研究中“動態(tài)碰撞體積擬合”解決了什么問題？

A4： 解決了機械臂伸縮導(dǎo)致系統(tǒng)形狀變化的安全規(guī)劃難題。該技術(shù)能 動態(tài)調(diào)整安全避障的包圍體積，在保障安全的同時，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)隊的論文《Whole-Body Integrated Motion Planning for Aerial Manipulators》已被機器人領(lǐng)域頂級期刊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.