無人機配送快遞、進行航拍測繪早已融入日常生活，但帶有機械臂的空中作業設備卻鮮少在實際場景中大展身手。這背后的原因在于，傳統空中機械臂受技術限制，存在工作空間有限、飛行控制難度大等問題，難以靈活應對復雜的作業任務。
傳統空中機械臂大多搭載在普通多旋翼飛行器上，這類飛行器屬于“欠驅動”系統，可控制的運動方向有限，驅動力難以支撐大幅傾斜。這就導致其在作業時，姿態調整受限，通常只能保持近乎水平的姿態，滾轉角和俯仰角都很小。這種局限性直接導致其工作空間狹小，例如在抓取地面凹陷處的物體或在狹窄空間內檢修設備時，傳統空中機械臂常常力不從心，要么夠不到目標，要么姿態調整不當，容易與周圍環境發生碰撞。即便有研究嘗試讓多旋翼飛行器實現非零角度懸停，但在接近90度俯仰角等關鍵姿態下，仍會出現不穩定甚至失控的情況。
傳統空中機械臂的控制和規劃系統也存在明顯不足。一方面，用常規角度（歐拉角）描述飛行器姿態時，會出現“奇點問題”，在某些角度下控制信號混亂，導致飛行器失控；另一方面，許多系統未能統籌考慮飛行器和機械臂的協同運動，要么只規劃飛行器的路徑，要么只調整機械臂的關節，使得整體運動僵硬，無法適應復雜作業需求。
不過，這一困境如今已被打破。近日，國際機器人頂級期刊IJRR上發表了一項全新研究成果——全向空中機械臂（OAM），它能夠在拉取重物的情況下實現360度任意懸停，還能完成90度俯身、180度翻轉等高難度動作，極大地激活了空中機械臂的應用潛力。
全向空中機械臂由首爾大學的研究團隊開發，其核心創新在于“全向多旋翼底座”。與傳統多旋翼不同，全向多旋翼配備了更多旋翼，且推進方向可調節，能夠在空中保持任意姿態，無論是水平、垂直甚至倒掛都能輕松應對。這一能力看似簡單，實則技術挑戰巨大。當飛行器以90度俯仰角（近乎垂直）懸停時，需要產生足夠的側向推力來對抗重力，同時保持精確的位置控制，這就要求飛行器采用完全驅動設計，能夠在所有方向上獨立產生力和扭矩。
全向空中機械臂的另一關鍵組成部分是多自由度機械臂，該研究中的機械臂有四個旋轉關節，末端配有夾持器。當與全向多旋翼底座結合后，整個系統形成了一個高度靈活的操作平臺。
要實現全向空中機械臂的實用化，研究人員需要解決穩定控制和智能規劃兩大核心問題。在穩定控制方面，當機械臂運動或與環境交互時，會產生力和扭矩作用在飛行器底座上，可能引發不穩定。地面效應、空氣動力學擾動等因素也會干擾系統。傳統控制器在處理這些干擾時表現有限，特別是在極端姿態下容易失效。為此，研究團隊開發了一種名為“gRITE”的新型控制器。這一控制器直接處理三維旋轉的幾何特性，避免了使用歐拉角等傳統方法可能遇到的數學奇點問題。更巧妙的是，它包含一個特殊的“積分”項，能夠持續補償各種干擾的影響。即使機械臂突然運動或抓取未知重量的物體，控制器也能快速調整，保持整個系統的穩定。研究人員證明，通過適當調節控制參數，可以使跟蹤誤差變得任意小。
在智能規劃方面，僅有穩定的控制還不夠，如何規劃機械臂和飛行器的協調運動同樣關鍵。傳統方法通常分別規劃飛行器的運動和機械臂的運動，這可能導致次優甚至不可行的方案。研究團隊提出了一個創新的兩步規劃方法：第一步是離線規劃末端執行器軌跡，不考慮機器人的具體構型，只規劃機械臂末端執行器（夾持器）如何無碰撞地到達目標位置，這種方法大大簡化了問題，即使在復雜環境中，也能在幾秒鐘內計算出全局最優路徑；第二步是在線規劃全身運動，基于第一步得到的末端執行器軌跡，實時計算機器人全身如何運動，包括飛行器底座應該采取什么姿態、機械臂各關節如何轉動，這一步驟考慮了避免與環境的碰撞、避免機械臂與飛行器自身碰撞等多種約束。這種兩級規劃架構既保證了全局優化，又實現了實時響應（規劃頻率超過10Hz），當機器人執行任務時，能夠根據實際情況隨時調整運動計劃。
為了驗證這一系統的能力，研究團隊進行了多組實驗。在一組對比實驗中，研究人員測試了五種不同控制器在機械臂運動干擾下的表現，設置了0度俯仰角（水平）和 -30度俯仰角（前傾30度）兩種場景，機械臂以固定周期擺動，故意產生干擾。結果顯示，新開發的gRITE控制器在所有測試中都表現出最佳的抗干擾能力和跟蹤精度，特別是在 -30度俯仰角的情況下，基于傳統歐拉角設計的控制器性能明顯下降，而gRITE控制器仍能保持精確控制，這證明了處理三維旋轉幾何特性的重要性。
在地面抓取與拉動實驗中，傳統空中機械臂通常只能從上方接近地面物體，而全向空中機械臂可以以多種姿態完成任務。研究團隊設置了基本場景（以常規方式接近并抓取地面物體）、偏航旋轉場景（飛行器偏航180度后抓取物體）和俯仰旋轉場景（機械臂末端需要旋轉180度，相當于從下方抓取）三種場景。在第三種場景中，飛行器需要保持超過90度的俯仰角，接近垂直狀態，系統不僅成功抓取了物體，還以這種極端姿態將物體拉動到新位置，傳統空中機械臂根本無法完成這樣的任務。
在桌面操作挑戰實驗中，桌面操作對空中機械臂提出了額外挑戰，必須避免與桌面碰撞，同時地面效應會干擾飛行穩定性。研究團隊展示了物體位于桌面遠端和近端兩種場景，在兩種情況下，全向空中機械臂都能通過傾斜機身、伸展機械臂的組合動作，安全地抓取并拉動物體。規劃器計算出避免碰撞的軌跡，控制器則確保精確跟蹤這些軌跡。
