可独立控制自身位置和方向的空中机器人

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无人驾驶飞行器 (UAV)，通常称为无人机，现在用于在户外环境中捕捉图像并执行各种任务。虽然现在有几种具有不同优势和特点的无人机设计，但大多数传统的空中机器人都是欠驱动的，这意味着它们的独立执行器比其自由度 (DoF) 少。
与过度驱动系统（即机器人的独立执行器数量多于其自由度）相比，欠驱动系统通常更具成本效益，并且可以使用更简单的控制策略进行控制。尽管如此，它们通常不太可靠，并且无法精确控制其位置和方向。
西班牙 Tecnalia 巴斯克研究与技术联盟 (BRTA) 的研究人员最近开发了一种新型过驱动空中机器人，可以独立控制其主体的位置和方向。该机器人在《机器人与自主系统》杂志发表的一篇论文中介绍，有四个四旋翼飞行器协同承载其中央主体。
“我们最近的论文的灵感来自于将无人机的界限推向被动观察任务之外的需求，以帮助自动化目前危险或昂贵的任务，例如在高空或偏远地区工作，”论文合著者伊马诺尔·伊里亚特 (Imanol Iriarte) 告诉 TechXplore。“我们寻求开发一种可以主动与环境互动的系统，执行诸如负载运输、合作建设、基于接触的检查或基础设施维护等任务。”
Iriarte 及其 Tacnalia 同事最近研究的主要目标是设计一种空中机器人，该机器人配有多个执行器，可产生推力，并可独立控制其中央主体的位置和方向。他们开发的机器人由一个主体组成，主体通过被动万向节与四个四旋翼飞行器相连。
Tecnalia 设施内初步试飞期间拍摄的空中机器人。来源：Iriarte 等人。
“四旋翼飞行器协同携带主体，从而可以独立控制主体的六个自由度，使机器人能够以更灵巧的方式执行复杂的动作并与周围环境互动，”伊里亚特解释说。“我们系统的主要优势在于其高控制权限、在倾斜表面上起飞和降落的能力以及推力矢量能力。”
除了空中机器人，研究人员还开发了一种临时控制算法，可以将主体所需的位置和方向转换为机器人 16 个螺旋桨的角速度指令。该算法还能有效抑制外部干扰，从而进一步增强机器人的控制能力。
“我们的空中机器人可以仅使用被动机制自主跟踪其主体的六个自由度，这对于传统的欠驱动多旋翼飞行器来说本质​​上是不可行的，”Iriarte 说道。“该机器人的实际应用可能很多，包括负载运输、合作建设、基于接触的检查或基础设施维护。”
到目前为止，Iriarte 和他的同事已经在模拟和真实户外环境中进行了一系列测试，以评估他们的机器人。他们发现，他们的机器人可以自主跟踪其中央身体的 6 个自由度，这是传统无人机无法实现的。
未来，研究人员的机器人可以进一步改进，并在更广泛的现实环境中进行测试。最终，它可以用于解决各种需要高精度控制和跟踪的复杂任务。
“在我们接下来的研究中，我们计划提高机器人的自主性水平，提高系统的性能和稳健性，以及研究更适合特定任务的架构变化，”Iriarte 补充道。
更多信息： Imanol Iriarte 等人，基于通过被动万向节连接的协作四旋翼机的过度驱动空中机器人：建模、控制和 6-DoF 轨迹跟踪，机器人和自主系统(2024)。DOI ：10.1016/j.robot.2024.104761