行业应用 - 空中作业机器人的方向在哪里？

2022年2月《“十四五”国家应急体系规划》提出，加大大载荷无人机等安全应急产品的生产制造，惠及无人行业的发展，市场向好。另据权威调研机构 Frost & Sullivan 报告显示，预计2024年全球工业无人机市场规模将达到3208.20亿元，2015年-2024年年均复合增长率达57.55%。国家政策大力支持无人机行业发展，工业无人机正在迎来增长期。

无人机+行业应用一直都是无人机应用的重点方向，民用无人机多应用于地理测绘、低空巡逻巡检、应急管理、农林植保等领域，但较为成熟的应用仍局限于观测、数据采集回收等，随着下沉行业应用的加深与“安全生产”“安全作业”等政策导向，无人机在空中进行作业的需求越来越强烈，空中作业的优势是可以进一步将人类从一些高危的工作中解放出来，同时提高生产或者维护的效率。学界对于空中作业同样关注，在 Web of Science 中搜索无人机和空中作业相关的关键词，对应的论文从2011年开始持续增加，且 IEEE 机器人与自动化国际会议 (ICRA)每年举行针对性专题会议，在无人机空中作业模式及技术瓶颈上寻求突破。

空中作业机器人在复杂和危险环境下能与环境进行物理交互作业，具有较强的机动性和灵活性，能进行物体抓取、转移、悬挂、接触式检测等作业。空中作业机器人主要由两部分组成，无人机平台和作业挂载。在无人机的作业挂载上，众厂商绞尽脑汁，针对特定场景和功能需求推出了大量产品，目前广泛应用的有夹具、刚性臂、电缆或绳索等（植保类挂载发展较为成熟，不做赘述）。

01

末端夹具类

末端夹具是应用最广泛的无人机执行器，简易且成本低。可以直接加装于无人机上，安装上较为便利，成本较低，适应于近距离的物体抓取、接触式检测，也可以通过简单的结构变换实现抛投功能，但作业灵活度、精准性依靠于无人机，且作业空间十分有限。

02

刚性臂类

机械臂（传统工业手臂及协作臂）作为发展成熟的机器人技术，与无人机的结合水到渠成，与夹具相比，机械臂明显扩大了作业空间，提高了自由度和作业灵活性，例如在DARPA 机器人挑战赛 (DRC) 中，无人机装载工业臂进行转动阀门挑战，使空中运维成为可能。但是，由于传统工业臂及协作臂自身重量大、体积大，串联式关节运动需要更大的运动空间，运动中出现重心偏移明显等问题，对无人机的载重性能以及飞控的稳定性提出了非常高的要求，影响其适用性。

例如日本 PRODRONE 公司早在2016年就发布过的PD6B-AW-ARM 六旋翼无人机，作业角度和空间受关节轴数限制，仅限于相对空旷空间的作业，对无人机的机台高度也有较高的要求，由于手臂无法伸缩，需预留较大的悬停空间。

PD6B-AW-ARM

并联式手臂，相较于串联式，其末端响应速度更快，运动过程中重心保持能力较强，并且重量可以实现一定程度的优化，例如英国帝国理工学院的 MirkoKovac 团队打造的Aerial-AM3D 打印系统，由 BuilDrones 和 ScanDrones 组成，29分钟就打印出2.05米高的圆柱体，响应速度快，可以有效应用于危险系数高的高层建筑施工作业等。但是并联机械臂的作业区域一般比较受限，且作业方向和灵活性不足，应用范围在一定程度上受限。

Aerial-AM 3D 打印系统

03

挂绳类

通过将电缆或绳索连接到无人机，再加装末端执行器，是无人机执行器中最简单粗暴的一种。最显著的优点是作业范围大（竖直高度上），绳索可以伸进狭小空间进行作业，但控制精度差，受重力和惯性的影响较大，适用于较空旷但危险场景中物品的抓取、采样等对精度要求较低的作业；另外，由于绳索悬挂方式在飞行中不稳定，可能会因为摇晃引起重心的偏移，影响无人机的飞行安全性，适用场景进一步受限。

为何现有空中作业机器人

都只能干好一份活？

以上案例，都体现出了学术界和工业界对空中作业机器人的创新性探索和尝试，是对无人机在空中作业中从无交互向有交互的初步延伸，但无论是挂载哪种作业机构，从应用范围上来看，都似乎只能干好一件事儿，这是因为所挂载的作业机构都或多或少存在一些局限性。

01

灵活性受限

挂载夹具、并联手臂类作业机构的空中作业机器人的作业空间一般局限于无人机下的小空间，扩大作业范围只能依赖于无人机自身的移动；作业角度仅限于垂直下方，因此仅限于近距离的物体抓取、接触式检测、抛投功能。

而挂载了多自由度串联手臂的空中作业无人机，实现了空中多个角度的触达，但更多自由度意味着更多的关节，更多的关节产生了更大的重量，对无人机的平稳飞行产生一定影响，同时所能负载的重量也下降。

02

交互性较弱

挂载“软性”绳索类的空中作业机器人由于控制精度较差，本身不适用于对精度有要求的交互式作业。“夹具”空中作业机器人受作业空间限制，在交互领域，通常比较广泛应用于接触式检测。拥有最多交互可能性的刚性臂，本身对无人机存在耦合干扰，同时刚性的材质对设备及人体都存在一定程度的伤害性，手臂与无人机接触甚至可能引发事故。基于此，现有空中作业机器人在应用上仍局限于弱交互甚至无交互领域。

03

环境抗性不强

现有挂载于无人机下的作业机构，用于驱动的电机等核心元件本身不具备环境抗性，在防尘防水、抗辐射、耐高压层面，需额外进行复杂改造才能实现在极端环境中的稳定作业，确保环境抗性的同时，也相对应增加了重量和成本，因此要基于单一应用场景进行定制化处理。

由于现有空中作业机器人都有优劣取舍点，这直接决定了各自的应用范围，即每类空中作业机器人在自身条件限制下，基本上只能干好一件事。如何进一步突破现有空中作业机器人的众多限制，实现一机多用、全天候的空中作业？具有灵巧柔韧、接触式安全交互、天然环境抗性、高负重比的柔韧臂提供了一个全新的视角和解决方案。

让无人机拥有柔韧臂意味着什么？

对付空中各个场景作业

一个平台就能解决

Nimbo™ 柔韧臂基于独创的 Pliabot™ 柔韧技术，有灵巧柔韧、接触式安全交互、高负重比、极致环境抗性等特性，基于这几大特性，柔韧臂挂载于无人机上，能极大满足无人机在随机环境中对于停放、灵活抓取、转移、接触式检测等作业的要求，实现空中作业机器人的全能性。

01

灵巧柔韧 | 满足任意角度抓取

传统机械臂的自由度决定了机械臂作业灵活性，而自由度取决于电机数，更高的自由度意味着更多的关节，伴随着产生更高的成本及重量，自重过大一方面限制机械臂与无人机的适配性，另一方面降低了空中作业机器人的整体负载能力。

为代替传统由电机及减速器组成的刚性关节，柔韧臂采用一系列 Pliabot™ 柔韧肌肉构成阵列，通过柔韧关节的偏转运动产生整体的形变，这种类似于象鼻的柔韧关节，赋予了柔韧臂丰富的冗余度，可以通过多种方式到达目的作业点，挂载在无人机下，无论无人机悬停在什么位置，柔韧臂都能通过全向的弯曲抓取或转移目标物，真正做到无人机和柔韧臂融为一体、互相配合，而非无人机配合机械臂进行作业。

同时高达3:1伸缩比的柔韧肌肉，进一步帮助柔韧臂深入狭小空间作业，扩大应用范围，减小悬停所需的空间。在应用上，可以帮助无人机进行风机叶片的接触式精确检测等。

02

接触式安全交互 | 真正意义的接触式作业

安全交互一直都是机器人的首要设计指标，空中作业机器人也不例外。传统刚性机械臂及夹具挂载于无人机下，与无人机、环境及设备产生碰撞时，容易造成无人机及设备的故障及损坏，甚至引发事故。柔韧臂采用创新性柔性材料及独创的 SlimDrive 气动方式，自重轻且自适应强，挂载于无人机下，不需要依赖复杂的视觉或力控算法，与周边环境、设备接触时能自适应调节运动轨迹，完成既定任务，实现真正意义上的接触式安全交互作业。

轻松与物体进行接触式交互

03

天然环境抗性 | 应对极端作业环境

由于自身的核心元件柔韧单元本身就是密封的加压腔体，原生型的密闭结构使得柔韧臂天生自带防水防尘属性，同时所采用的创新性材料能有效抵抗日光下存在的紫外线的影响，轻松应对户外作业，高效完成对植物、水源、危险物品的采样。同时运动控制与本体的分离，使得柔韧臂不受高压及辐射的干扰，即使处于高压强辐射的极端环境中，运行也能稳如泰山，可用于全天候环境下高压线缆的巡检作业。无人机加装拥有天然环境抗性的柔韧臂，组成的空中作业机器人满足从地面端到天空端的一体化作业。

04

3:1超高负重比 | 轻松应对大载重物品

大负载及超轻自重形成的超高3:1负重比加强了柔韧臂的作业能力。挂载于无人机下，与同级机械臂对比，柔韧臂能完成负载更重的作业任务。柔韧臂减轻自重的同时，能稳定抓取高达 15kg 的负重物，丝毫不影响无人机的悬停和飞行的同时，还能赋能无人机进行“操作性”移动作业，在抓取、转移急救重物、可疑包裹等方面都能发挥极大的作用。

Orion 猎户座

全能型空中作业系统

给天空一个抓手，让无人机拥有象鼻一样柔韧灵巧的手臂，适用于各个场景的 Orion 猎户座空中作业系统由此诞生。天地一体化全天候作业不再是无法攻克的难题，一个作业平台即能解决，适配于大多数无人机品牌，广泛应用于采样检测、能源巡检、低空作业、灾备救援等作业场景，将无限扩大无人机应用边界。