《The International Journal of Robotics Research》：A transformable tethered aerial platform for robot-environment interactions
编辑推荐：
提升微型空中机器人（Micro Aerial Robots, MARs）的适应性与多功能性对于拓展其应用范围至关重要。本文提出了一种可变形系绳空中平台（transformable tethered aerial platform），该平台由两个通过缆绳系留的双
提升微型空中机器人（Micro Aerial Robots, MARs）的适应性与多功能性对于拓展其应用范围至关重要。本文提出了一种可变形系绳空中平台（transformable tethered aerial platform），该平台由两个通过缆绳系留的双旋翼飞行器（bicopters）组成，具备空中模式转换与机器人-环境物理交互能力。该平台可在三种模式下运行：自由飞行模式（free-flight mode）、系绳飞行模式（tethered-flight mode）和四旋翼模式（quadcopter mode）。这些模式仅需改变缆绳的张紧力与长度即可实现，无需额外的重构机构。为充分利用所提系统的能力，研究人员推导了该平台的动力学模型，并针对每种模式开发了相应的控制方法。所设计的控制器保证了各模式下的稳定飞行，并使平台能够在有限位置反馈条件下运行。通过一系列实验验证了可变形设计的可行性，展示了模式间的稳定转换以及有效的物理交互。值得注意的是，通过将缆绳用作末端执行器，平台可借助缆绳张力对周围环境施加力与力矩，无需额外的夹爪或驱动器，从而展现了该系统在实际任务中的多功能性。
微型空中机器人（Micro Aerial Robots, MARs）具有体积小、机动性高等优点，在搜索救援、环境监测、基础设施检测、精准农业与航拍等领域得到广泛应用。然而，传统固定构型平台如常规四旋翼存在欠驱动问题，而全驱动多旋翼虽可产生全向力与力矩，但因螺旋桨倾斜造成推力损失，飞行效率和有效载荷能力下降。可重构平台如变倾角四旋翼、折叠式飞行器以及模块化系统，虽然能改变几何构型，但通常需要额外的末端执行器或复杂对接机构才能进行物理交互。多机器人系绳系统利用缆绳进行协作搬运或操作，但大多在任务全程保持分布式多飞行器构型，其几何足迹和机械拓扑难以根据环境要求而改变。因此，亟需一种既能灵活改变空间构型、又无需额外机构即可实现物理交互的空中平台。
为此，研究人员提出了一种可变形系绳空中平台（transformable tethered aerial platform），由两台通过缆绳连接的双旋翼飞行器（bicopter，一种采用两个旋翼的飞行器）构成。该平台通过改变缆绳的张紧状态和长度，可在自由飞行模式（free-flight mode）、系绳飞行模式（tethered-flight mode）与四旋翼模式（quadcopter mode）之间进行可逆切换。研究人员建立了包含平动与姿态动力学的完整模型，针对不同模式设计了级联结构的控制器，并通过室内外实验验证了多模式飞行、空中转换、物体操作、栖息与窄间隙穿越等能力。结果表明，缆绳可作为末端执行器对周围环境施加力与力矩，无需额外夹爪或驱动器，显著提升了飞行机器人的适应性与交互能力。
在关键技术与方法方面，研究人员设计了两台几乎相同的双旋翼飞行器原型，每台包含两个无刷电机和两个伺服电机以实现推力矢量控制，底部装有磁铁用于对接；其中一台配备绞盘与编码器以调节缆绳长度，另一台安装力传感器以测量缆绳张力。室内实验依赖10台OptiTrack运动捕捉相机提供实时位置反馈，地面计算机以100 Hz频率运行位置控制器，机载飞行控制器以1 kHz频率执行姿态控制器；户外实验采用实时动态定位（Real-Time Kinematic, RTK）模块。控制框架采用级联结构：位置控制器按模式定制，姿态控制器统一采用比例-微分（PD）控制并加入前馈力矩补偿，同时利用缆绳张力实现了阻抗控制，从而精确调节交互力/力矩。
**飞行模式与空中转换**：在46秒的多模式飞行实验中，平台完成了自由飞行→系绳飞行→四旋翼模式的连续空中转换，再逆向切换回自由飞行。系统质心（center of mass, CoM）位置均方根（root-mean-square, RMS）误差在x、y、z方向分别为2.2 cm、1.6 cm和3.6 cm，系绳与四旋翼模式下的缆绳角度RMS误差均小于3°，验证了模式切换的稳定性和良好的跟踪性能。
**有限位置反馈飞行**：当仅Bicopter 1获得位置反馈时，平台在系绳飞行和四旋翼模式下仍能保持稳定，但缺少缆绳角度反馈导致缆绳方向出现振荡，其RMS误差约为完全反馈时的1.5至2.8倍。该实验模拟了GPS等不精确反馈场景，表明平台在有限感知条件下仍具鲁棒性。
**物体操作**：在载荷运输实验中，平台在系绳飞行模式下用缆绳钩取并运输40 g的悬挂载荷；更换高KV电机后，成功提升100 g载荷（约系统总质量的30%），且无需修改平台结构或控制框架。在阀门旋转实验中，平台通过将缆绳缠绕在旋转手泵手柄上，在固定质心位置时改变参考缆绳角度，驱动手柄旋转超过一个半循环；接触期间缆绳角度RMS误差为20.1°，成功实现了基于缆绳的力矩施加。
**分支栖息**：引导式缆绳缠绕栖息实验中，平台通过多步控制将缆绳绕上树枝，随后只启用姿态控制器，逐渐增大参考俯仰角使两架双旋翼飞行器倒挂，进入低功耗状态；逆序操作即可起飞并解开缆绳。动态栖息实验中，平台以最大3.0 m/s的速度飞向水平导轨，接触时通过缆绳张力阈值（2.0 N）检测撞击，然后关闭全部螺旋桨，利用残余动能完成缆绳缠绕和栖息，几乎不需要主动控制，体现了低能耗、高鲁棒性的特点。
**窄间隙通过**：自由飞行模式下，单架双旋翼飞行器可独立穿越12.0 cm×21.0 cm的高窄缝隙；四旋翼模式下，对接后的平台可穿越21.0 cm×12.0 cm的宽矮缝隙。实验中虽出现轻微螺旋桨碰撞，但未导致不稳定，验证了不同构型足迹对不同纵横比通道的适应性。
**户外飞行**：户外实验中平台完成了多模式空中转换和40 g载荷运输任务。由于RTK-GPS精度有限和风力扰动，质心位置RMS误差较室内有所增加（多模式转换实验中x、y、z方向分别约7.3 cm、4.9 cm、5.6 cm；载荷运输中分别约9.6 cm、6.2 cm、9.8 cm），但仍保持稳定飞行，展现了实际应用潜力。
在讨论部分，研究人员指出，该平台并不旨在替代传统多机器人系绳系统以提供更大的操作能力，而是通过任务相关的可重构性，使同一平台既能以分离构型进行系绳交互，又能以紧凑构型穿越受限空间。当前系统的局限包括：仅支持两个双旋翼飞行器和三种预设构型；控制模型基于静态平衡假设，难以应对激烈机动；缆绳末端执行器对目标物体形状和结构有限制；力调节与接触估计尚未解决；交互任务仍需人类飞行员协助。未来工作将融合感知、运动规划与缆绳传感/估计，并研究多空中模块的对接与断开机制，以形成更通用的拓扑结构。
研究结论：在本研究中，研究人员提出了一种具备多模式飞行能力的可变形系绳空中平台。该设计利用缆绳在不同运行模式间进行转换，无需额外的重构机构；同时将缆绳用作末端执行器，使系统能够与环境进行物理交互，无需额外的夹爪或驱动器。研究人员推导了平台的动力学模型，并开发了适用于每种模式的控制方法。所开发的控制器保证了每种模式下的稳定飞行，并使平台能够在有限位置反馈下运行。实验结果验证了所提可变形设计的可行性，并凸显了平台的物理交互能力。
