为飞行机器人开辟道路

作为苏黎世联邦理工 (ETH) 学院一个重点项目的一部分，八名本科学生制造出一个可以在任何方向悬停并抓取物体的飞行机械手。这款无人机比四旋翼直升机具有更高的机动性，其设计旨在将飞行机器人技术推向全新的高度。

在仓库中使用飞行机器人来运输包裹。许多发明家试图通过为四旋翼直升机配备串联的抓臂，让这一内部物流的未来愿景变为现实。然而，这种无人机配备机械臂的组合速度较慢，而且伸出的机械臂会导致重量分布不均匀，从而影响精度和负载能力。而且，四旋翼直升机只能在水平面上旋转，这意味着所谓的末端执行器——在本例中是夹爪——无法在所有方向上移动。因此，从目前的情况来看，大部分无人机仍然仅限于执行巡检任务。

去年秋天，苏黎世联邦理工学院机械工程和过程工程系本科的一个学生团队产生研发一款不受上述各项局限所限制的综合型飞行机器人的想法。这些年轻的工程师们参加了自主系统实验室 (ASL) 招标的一个重点项目，并设计建造出一款全向飞行机械手；换句话说，这是一款能与周围环境进行物理交互的设备。

Daniel Gisler, mechanical engineering student and member of the Griffin team, with the flying manipulator..

从3D打印机获得灵感

为了建造一个高精度末端执行器，学生们安装了一个线性平行机械臂，并通过三个可在棱柱形结构内移动的滑块实现机械手的定位。年轻的发明家们为Prismav（棱形微型飞行器）配备了四台驱动装置，每一台驱动装置都采用不同的布置方式并由两个反向旋转的螺旋桨组成。如此就可以平衡各个螺旋桨的力矩并确保稳定的飞行特性。

三角机械臂的灵感来自3D打印机内部。机械工程专业的学生Matthias Rubio解释说：“当时，我们站在3D打印机前，突然萌生出沿用打印机内部结构，打造一个集飞行与操控功能于一体的飞行平台的想法。”这是一种全新的方法，因为这种三角形机械臂在飞行机械手中仍然非常罕见。

平行的机械臂可以补偿定位误差

转子组可以围绕自轴旋转。这样就能使7.5kg的飞行物体在任何方向上悬停。在这个重点项目实施期间，团队在一个配备视觉运动跟踪系统的房间内操作和测试全向无人机，从而确保能够精确测量位置和定向。如此便使Prismav能与周围环境互动并精确定位夹爪。无人机上配备两块20,000 mAh的电池，确保无人机飞行时间达到约12分钟。

在成功运送一个重量为500克的圆柱形物体后，Griffin团队的八名学生（七名来自机械工程专业，一名来自电气工程专业）高兴地欢呼。

虽然在无人机的飞行动作中仍然还有不精确性，但一般可以限制在10到15厘米的范围内。为了弥补这一点，无人机上采用三台无刷maxon电机来精确定位抓臂。三个可在线性导轨上移动的滑块则通过齿形皮带独立定位。在这套系统的帮助下，夹爪可伸展到标记的3D空间内的任意位置。为了在不影响力量的情况下减轻自身重量，团队选择了紧凑型ECX TORQUE 22 M驱动装置。

适合危险或难以接近的区域

在Prismav的基础上，学生们可以进一步开展研究活动。Matthias Rubio补充说：“我们已经展示了飞行机械手可以通过与周围环境的互动来抓取、运输和放置重达500克的圆柱形物体。”此处的关键是抓臂补偿定位误差的速度要快于无人机移动的速度。

2021年，这个重点项目一经推出便获得热烈的反响。因此，学生们选择这个课题作为本科毕业设计项目并进一步研发Prismav。目前，他们正在优化自动定位、飞行路径计算和控制软件，并致力于设计一款操作直观的控制器。这个项目的潜在应用范围广泛，因此非常值得继续深挖其潜力。例如，未来的飞行机器人可代替人类前往难以接近的或危险的区域执行工作：拧紧螺丝、架设脚手架、修理高压线，甚至可以建造防雪崩结构。