空中书法，设计系统化解决方案

ly:机器人大讲堂

提出新策略，实现连续时变接触力与运动轨迹同时跟踪

为实现无人机（UAV）在执行空中交互任务时对连续时变接触力和运动轨迹的同时跟踪，卡内基梅隆大学和宾夕法尼亚州立大学的研究人员对此进行了深入研究。

前不久，研究团队提出了一种创新的接触感知轨迹规划算法。该算法能够在接触平面内生成动态且可行的接触力和运动轨迹。同时，他们还开发了一种先进的接触感知混合运动-力控制算法，使无人机（UAM）能够同时追踪连续时变的接触力和运动轨迹，并有效补偿摩擦力等干扰因素。此外，研究团队利用全驱动六旋翼空中机械手，设计了一套完整的系统和流程，包括用户输入界面、轨迹规划器、控制器和末端执行器，成功实现了空中书法任务的精确执行。

空中书法任务不仅要求UAV具备高精度的运动控制能力，还需要根据线条粗细动态调整接触力，因此成为验证本研究方法有效性的理想平台。为了验证该方法，研究团队开发了一个灵活的触摸屏界面，用于用户输入，并采用了一种新颖的海绵笔设计作为末端执行器，在空中书法任务上进行了演示。通过空中书法任务这一代表性应用，充分展示了该方法在精确控制线条宽度和形状方面的优越性。

▍聚焦空中书法，设计系统化解决方案

执行空中交互任务时，如何同时且准确地控制无人机末端执行器的运动轨迹和接触力是一个核心挑战。这种能力对于许多高难度的空中作业至关重要，尤其是在需要精细操作和环境交互的场景中，如空中书法任务。

具体到空中书法，研究团队提出了一个高度精确的需求：无人机不仅需要沿着预定义的路径移动，还要根据每个点的线宽要求动态调整其末端执行器施加的接触力。这不仅考验了无人机的运动控制能力，还对其感知和响应环境变化的能力提出了极高要求。

为实现无人机在空中交互任务中的高精度运动与力控制，研究团队设计了一套系统化的解决方案。该系统涵盖了从用户输入到任务执行的全流程，具体包括以下几个方面：

首先，用户通过空中书法界面输入目标笔画或字母，这些输入可以是手动定义的路径点，也可以通过触摸屏界面直接绘制。界面随后将这些输入转换为任务空间中的稀疏路径点，这些路径点包含了执行空中书法任务所需的关键信息，如位置和预期的线宽。

接下来，研究利用接触感知轨迹规划器来处理这些路径点。规划器的核心任务是生成一条动态可行的运动-力轨迹，这条轨迹不仅需要确保无人机能够平滑地移动，还需要在不同点施加正确的接触力，以满足绘制线条粗细的要求。这一过程涉及复杂的优化算法，需要综合考虑无人机的动力学特性、环境约束以及任务需求。

在生成了参考轨迹之后，研究设计了混合运动-力控制器来确保无人机能够紧密跟随这条轨迹。控制器结合了运动控制和力控制的优势，能够在无人机与环境交互时快速响应各种扰动，如摩擦力等。这种混合控制方式使得无人机在复杂的空中作业环境中表现出更高的鲁棒性和精确性。

为了实现精细的线条绘制效果，研究还特别设计了一种新型的海绵笔末端执行器。这种末端执行器能够根据无人机施加的接触力动态调整线条的宽度，从而精准地再现用户输入的笔画或字母。此外，为了确保用户输入的便捷性和直观性，研究还开发了一种触摸屏界面，允许用户通过简单的触摸操作来定义和修改目标轨迹。

最后，为了准确描述无人机在三维空间中的位置和姿态，以及末端执行器与接触表面的交互情况，研究定义了多个坐标框架，并建立了无人机机械臂的动力学模型。这些框架和模型为后续的轨迹规划和运动-力控制算法提供了坚实的理论基础和数学描述工具。

通过系统化的解决方案，研究团队全面考虑了用户输入、轨迹规划、运动-力控制、末端执行器设计以及动力学建模等方面的问题和挑战，旨在实现无人机在空中交互任务中的高精度运动与力控制。