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空中作業(yè)機(jī)器人都有哪些應(yīng)用？

2022-05-23 10:31 性質(zhì)：轉(zhuǎn)載 作者：空中機(jī)器人前沿 來源：空中機(jī)器人前沿
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全文2180字，預(yù)計閱讀時間5分鐘原創(chuàng) | 曹華姿編輯 | 呂嘉玲在之前的推文中，我們介紹了什么是空中作業(yè)機(jī)器人。大家知道了空中作業(yè)機(jī)器人是無人機(jī)和機(jī)械臂的結(jié)...

全文2180字，

預(yù)計閱讀時間5分鐘

原創(chuàng) | 曹華姿編輯 | 呂嘉玲

在之前的推文中，我們介紹了什么是空中作業(yè)機(jī)器人。大家知道了空中作業(yè)機(jī)器人是無人機(jī)和機(jī)械臂的結(jié)合體，一定很好奇空中作業(yè)機(jī)器人都有什么應(yīng)用。寫這篇文章的目的就是解答大家心中的疑惑。在回答大家的疑惑之前，首先給大家介紹一些背景知識，那就是什么是空中應(yīng)用，它的類別是什么？再結(jié)合空中作業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)來講一講現(xiàn)有的空中作業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用。

01

空中應(yīng)用分類

空中應(yīng)用是指利用空基的設(shè)備完成一些特定的任務(wù)，這里的空基設(shè)備包括無人機(jī)和空中作業(yè)機(jī)器人等。如圖 1所示，我們按照交互性強(qiáng)弱把現(xiàn)有的空中應(yīng)用分為四類：無交互、弱交互、中交互和強(qiáng)交互。這四類的定義分別如下：

  • 無交互是指和環(huán)境不存在接觸等力交互，這類任務(wù)以感知環(huán)境為目標(biāo)，對環(huán)境無改變。無交互應(yīng)用主要包括消費(fèi)級以及工業(yè)級航拍、巡線、監(jiān)測、測繪等，在過去十年無交互應(yīng)用是商業(yè)爭奪最為激烈的領(lǐng)域。

  • 弱交互是指無人機(jī)可影響改變環(huán)境狀態(tài)但是不存在強(qiáng)的交互力。弱交互的應(yīng)用主要包括農(nóng)業(yè)植保、空中物流、飛行汽車。在過去五年和現(xiàn)在，這些領(lǐng)域都出現(xiàn)了激烈的競爭，并且在可以預(yù)見的時間內(nèi)，市場會逐步整合。

  • 中交互是指與環(huán)境有頻繁的動作交互，其代表的應(yīng)用包括近些年興起的無人機(jī)消防、噴涂、惡意無人機(jī)追捕等。目前在中交互的應(yīng)用，中小企業(yè)逐漸發(fā)展、行業(yè)落地不斷深化。

  • 強(qiáng)交互是指以改變環(huán)境狀態(tài)為目標(biāo)，與環(huán)境有很強(qiáng)的動作和力交互。其主要包含的應(yīng)用包括高空建筑物接觸式檢測、安裝、清潔等。從市場的角度來說，強(qiáng)交互具有廣闊的前景，并且目前強(qiáng)交互相關(guān)的企業(yè)較少，還處于萌芽狀態(tài)。

    • 圖 1 交互性強(qiáng)弱分類與應(yīng)用對應(yīng)關(guān)系

    02

    空中作業(yè)機(jī)器人特點(diǎn)

    空中作業(yè)機(jī)器人是一種新型的機(jī)器人，其兼具無人機(jī)的快速空間移動能力和機(jī)械臂的精確操縱能力。簡單的來說，可以將空中作業(yè)機(jī)器人看做是無人機(jī)和作業(yè)機(jī)構(gòu)的結(jié)合。具有無人機(jī)和作業(yè)機(jī)構(gòu)二重能力的空中作業(yè)機(jī)器人，可以拓展無人機(jī)的應(yīng)用的場景，讓無人機(jī)實(shí)現(xiàn)從“看”向“做”的跨越。

    圖 2 空中作業(yè)機(jī)器人

    空中作業(yè)機(jī)器人相較于無人機(jī)最大的區(qū)別在于其具有精確的操縱能力和環(huán)境交互能力，因此空中作業(yè)機(jī)器人更適合那些交互性強(qiáng)的應(yīng)用場景。

    03

    現(xiàn)有的空中作業(yè)機(jī)器人應(yīng)用 

    從任務(wù)的角度上看，可以將空中作業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用分為接觸式檢測、清潔、噴涂、搬運(yùn)和操作。

    ▌接觸式檢測

    接觸式檢測的研究主要側(cè)重于油氣管道和橋面的研究，主要用于檢測管道的裂紋和橋底的裂紋，便于相關(guān)設(shè)施的維護(hù)。接觸式檢測主要面向那些需要定期進(jìn)行定期接觸檢修（如探傷、檢查裂紋等）的場景。并且這些場景因?yàn)楦叨然蛘攮h(huán)境的特殊性，如果由人去完成，則會存在很大的安全風(fēng)險并且檢測的效率也很低。

    圖 3 接觸式檢測 （a）塞維利亞大學(xué)開發(fā)的油氣管道檢測機(jī)器人[1];（b）ETH開發(fā)的橋梁檢測機(jī)器人[2]

    ▌清洗

    關(guān)于清洗的研究主要集中在一些較為光滑的表面的清洗，比如墻面、玻璃和光伏電池，目前已經(jīng)有國外創(chuàng)業(yè)公司（如西班牙的CleanDrone公司）從事空中清洗作業(yè)機(jī)器人方面的研究。

    圖 4 西班牙的CleanDrone公司將空中作業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于墻壁和光伏電池的清洗[3]

    ▌噴涂

    關(guān)于噴涂的研究主要集中在墻面的噴涂和logo的噴涂。瑞士的Voliro公司已經(jīng)在這個方向進(jìn)行了一些研究，開發(fā)了一款用于墻面噴涂的空中作業(yè)機(jī)器人，其采用全驅(qū)動的飛行平臺，可以更為靈活的實(shí)現(xiàn)噴涂。除此之外，ETH和迪士尼一起聯(lián)合開發(fā)了用于噴涂繪畫的空中噴涂機(jī)器人。從目前的效果上看，現(xiàn)有研究的噴涂還只能用于一些對精度要求低的場景，想要進(jìn)一步擴(kuò)展應(yīng)用還需要提高噴涂作業(yè)的精度。

    圖 5 噴涂（a）瑞士的Voliro公司將空中作業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于噴涂墻面[4];（b）ETH和迪士尼開發(fā)的空中噴涂機(jī)器人[5]

    ▌搬運(yùn)

    關(guān)于空中作業(yè)機(jī)器人在搬運(yùn)方面的研究工作最多。搬運(yùn)可以分為簡單搬運(yùn)和特殊場景下的搬運(yùn)，大部分的研究都主要集中在簡單的搬運(yùn)。針對無人機(jī)無法直接前往的復(fù)雜地形，塞維利亞大學(xué)的研究團(tuán)隊將機(jī)械臂通過一根纜索和無人機(jī)相連，獲得的新型空中作業(yè)機(jī)器人可以在一些復(fù)雜地形下完成搬運(yùn)任務(wù)。此外，還有一類特殊的搬運(yùn)，把一些特殊的物品如傳感器搬運(yùn)到指定的位置。塞維利亞大學(xué)團(tuán)隊基于這種思路利用一個四旋翼無人機(jī)和一個單連桿機(jī)構(gòu)開發(fā)了一款傳感器部署機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)傳感器的部署與回收。

    圖 6 搬運(yùn) （a）塞維利亞大學(xué)利用空中作業(yè)機(jī)器人開發(fā)了一套遠(yuǎn)距離搬運(yùn)系統(tǒng)[6];（b）西班牙塞維利亞大學(xué)的傳感器部署機(jī)器人[7]

    ▌操縱

    關(guān)于操縱的研究主要集中在按鈕、閥門和門等物品的操縱上，這類應(yīng)用充分利用了空中作業(yè)機(jī)器人的高精度操縱能力和物理交互能力。目前，這方面的應(yīng)用吸引了大量研究者的目光。這方面的研究主要集中在如何提供足夠的操縱力？如何實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的操縱？等等。

    圖 7 操縱 （a）ETH開發(fā)的擰閥門空中機(jī)器人[8];（b）首爾國立大學(xué)開發(fā)的開門機(jī)器人[9]

    04

    總結(jié) 

    空中作業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)是兼具無人機(jī)和作業(yè)機(jī)構(gòu)的二重特性，使得其相較于傳統(tǒng)無人機(jī)擁有更強(qiáng)的交互能力、更高的操縱精度、更高的可擴(kuò)展性。這些特點(diǎn)可以讓空中作業(yè)機(jī)器人去完成更多的任務(wù)，同時不同的任務(wù)對空中作業(yè)機(jī)器人也提出了不同的要求，這要求了空中作業(yè)機(jī)器人要依據(jù)任務(wù)來進(jìn)行開發(fā)。

    空中作業(yè)機(jī)器人是否具有商業(yè)價值呢？答案一定是肯定的，空中作業(yè)的優(yōu)勢是可以將人類從一些高危的工作中解放出來的，另外它也能提高生產(chǎn)或者維護(hù)的效率。但是，從目前的應(yīng)用上來看，還有很多的技術(shù)問題需要進(jìn)一步解決，離真正的落地且商業(yè)化應(yīng)用還有一定的距離。

    參考文獻(xiàn)

    [1] M. á. Trujillo, J. R. Martínez-De Dios, C. Martín, A. Viguria, and A. Ollero, “Novel aerial manipulator for accurate and robust industrial NDT contact inspection: A new tool for the oil and gas inspection industry,” Sensors (Switzerland), vol. 19, no. 6, 2019, doi: 10.3390/s19061305.

    [2] K. Bodie et al., “An Omnidirectional Aerial Manipulation Platform for Contact-Based Inspection,” 2019, doi: 10.15607/rss.2019.xv.019.

    [3] Cleandrone. http://www.cleandrone.com/.

    [4] Voliro. https://www.voliro.com/solution/.

    [5] A. S. Vempati et al., “PaintCopter: An autonomous UAV for spray painting on three-dimensional surfaces,” IEEE Robot. Autom. Lett., vol. 3, no. 4, pp. 2862–2869, 2018, doi: 10.1109/LRA.2018.2846278.

    [6] Suárez A, Sanchez-Cuevas P, Fernandez M, et al. Lightweight and compliant long reach aerial manipulator for inspection operations[C]//2018 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). IEEE, 2018: 6746-6752.

    [7] S. Hamaza et al., “Sensor Installation and Retrieval Operations Using an Unmanned Aerial Manipulator,” IEEE Robot. Autom. Lett., vol. 4, no. 3, pp. 2793–2800, 2019, doi: 10.1109/LRA.2019.2918448.

    [8] H. Nguyen and K. Alexis, “Forceful Aerial Manipulation Based on an Aerial Robotic Chain: Hybrid Modeling and Control,” IEEE Robot. Autom. Lett., vol. 6, no. 2, pp. 3711–3719, 2021, doi: 10.1109/LRA.2021.3064254.

    [9] D. Lee, H. Seo, D. Kim, and H. J. Kim, “Aerial Manipulation using Model Predictive Control for Opening a Hinged Door,” Proc. - IEEE Int. Conf. Robot. Autom., pp. 1237–1242, 2020, doi: 10.1109/ICRA40945.2020.9197524.

歡迎來到西湖大學(xué)智能無人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室！我們的實(shí)驗(yàn)室專注于小型無人機(jī)（UAV）的基本理論和新應(yīng)用。技術(shù)研究領(lǐng)域包括（i）單無人機(jī)的制導(dǎo)，導(dǎo)航和控制，（ii）多無人機(jī)的集群系統(tǒng)，以及（iii）基于視覺和其他類型的傳感器的智能傳感系統(tǒng)。目前，我們有十多個小組成員，包括博士后，博士生，研究助理和訪問學(xué)生。他們都畢業(yè)于中國和海外的頂尖大學(xué)。我們擁有一流的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，如Vicon，動作捕捉系統(tǒng)和各種實(shí)驗(yàn)無人機(jī)平臺。

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