研究作者及机构

本研究的主要作者包括Bruno Gabrich、David Saldaña、Vijay Kumar和Mark Yim，他们均来自美国宾夕法尼亚大学的GRASP实验室。该研究发表于2018年5月21日至25日举行的IEEE国际机器人与自动化会议（ICRA）上。

学术背景

本研究的主要科学领域是机器人学，特别是模块化飞行机器人及其在抓取和运输物体中的应用。研究背景源于自然界中昆虫通过协作来操纵和运输比个体更重的物体的现象。然而，空中协作比地面协作更为复杂，主要因为飞行稳定性问题。传统的单飞行机器人通常通过附加机械臂来实现抓取功能，但这会增加系统的复杂性，如改变惯性、重心和整体重量。因此，本研究提出了一种新型模块化飞行平台，能够通过多个模块的协作来实现抓取和运输功能，而无需附加外部机械装置。

研究流程

1. 设计与机械系统
   研究设计了一种基于四旋翼飞行器的模块化飞行平台，每个模块由一个四旋翼飞行器和一个立方体框架组成，框架上装有对接机制。模块之间通过垂直边缘的磁力连接形成铰链，四个模块连接后形成一个单自由度的四连杆机构，用于抓取外部物体。

   • 飞行器设计：使用了Crazyflie 2.0作为基础飞行器，因其体积小且易于改装。飞行器的电机安装角度调整为15°，以增加偏航控制能力。
     
   • 对接机制：模块之间通过圆柱形钕铁硼磁铁实现边缘到边缘的连接，形成非刚性铰链。
     
   • 系统运动：四个模块连接后形成一个四连杆机构，通过控制每个模块的偏航角来调节抓取器的开合角度。

2. 飞行抓取器模型
   研究提出了飞行抓取器的动力学模型，包括模块的位置、姿态和开合角度的控制。模型基于四旋翼飞行器的动力学特性，推导了飞行抓取器的线性加速度和角加速度方程。

3. 飞行抓取器控制
   研究提出了一种分散式控制方法，用于控制飞行抓取器的姿态和开合角度。控制分为三个阶段：

   • 集中式轨迹控制：生成飞行抓取器的期望姿态和开合角度。
     
   • 分散式姿态和开合控制：将期望姿态和开合角度分配给每个模块，模块根据自身传感器数据计算控制输入。
     
   • 控制输入生成：将总系统力和加速度转换为每个模块的电机控制输入。

4. 实验验证
   研究通过实验验证了飞行抓取器的动态性能，包括在不同开合角度下的悬停性能、携带负载的能力以及抓取器的开合动作。实验使用了Vicon运动捕捉系统来获取飞行器的位姿和开合角度，并通过ROS系统进行控制。

主要结果

1. 悬停性能：飞行抓取器能够在不同开合角度下保持悬停，但在90°开合角度时会出现角度漂移。
   
2. 携带负载：飞行抓取器能够携带14.3克的咖啡杯，但在负载情况下会出现更大的高度振荡。
   
3. 抓取动作：飞行抓取器能够在空中控制开合角度，并在抓取过程中保持稳定。
   
4. 偏航控制：通过调整电机角度，飞行抓取器能够产生足够的偏航力矩来执行抓取动作。

结论与意义

本研究提出了一种新型模块化飞行平台，能够通过多个模块的协作实现抓取和运输功能。该平台的主要优势在于其模块化设计，无需附加外部机械装置即可实现抓取功能。研究提出的分散式控制方法能够有效控制飞行抓取器的姿态和开合角度，实验验证了其在悬停、携带负载和抓取动作中的性能。该研究为模块化飞行机器人在实际应用中的发展提供了重要参考。

研究亮点

1. 创新性设计：提出了一种无需附加外部机械装置的模块化飞行抓取器。
   
2. 分散式控制方法：实现了多个模块的协同控制，能够有效调节飞行抓取器的姿态和开合角度。
   
3. 实验验证：通过实验验证了飞行抓取器在不同条件下的性能，展示了其在实际应用中的潜力。

未来工作

未来的研究方向包括探索系统的可扩展性，研究在飞行中对接多个模块的可能性，以及进一步研究抓取和保持力的耦合问题。