无人机配送快递、进行航拍测绘早已融入日常生活，但带有机械臂的空中作业设备却鲜少在实际场景中大展身手。这背后的原因在于，传统空中机械臂受技术限制，存在工作空间有限、飞行控制难度大等问题，难以灵活应对复杂的作业任务。
传统空中机械臂大多搭载在普通多旋翼飞行器上，这类飞行器属于“欠驱动”系统，可控制的运动方向有限，驱动力难以支撑大幅倾斜。这就导致其在作业时，姿态调整受限，通常只能保持近乎水平的姿态，滚转角和俯仰角都很小。这种局限性直接导致其工作空间狭小，例如在抓取地面凹陷处的物体或在狭窄空间内检修设备时，传统空中机械臂常常力不从心，要么够不到目标，要么姿态调整不当，容易与周围环境发生碰撞。即便有研究尝试让多旋翼飞行器实现非零角度悬停，但在接近90度俯仰角等关键姿态下，仍会出现不稳定甚至失控的情况。
传统空中机械臂的控制和规划系统也存在明显不足。一方面，用常规角度（欧拉角）描述飞行器姿态时，会出现“奇点问题”，在某些角度下控制信号混乱，导致飞行器失控；另一方面，许多系统未能统筹考虑飞行器和机械臂的协同运动，要么只规划飞行器的路径，要么只调整机械臂的关节，使得整体运动僵硬，无法适应复杂作业需求。
不过，这一困境如今已被打破。近日，国际机器人顶级期刊IJRR上发表了一项全新研究成果——全向空中机械臂（OAM），它能够在拉取重物的情况下实现360度任意悬停，还能完成90度俯身、180度翻转等高难度动作，极大地激活了空中机械臂的应用潜力。
全向空中机械臂由首尔大学的研究团队开发，其核心创新在于“全向多旋翼底座”。与传统多旋翼不同，全向多旋翼配备了更多旋翼，且推进方向可调节，能够在空中保持任意姿态，无论是水平、垂直甚至倒挂都能轻松应对。这一能力看似简单，实则技术挑战巨大。当飞行器以90度俯仰角（近乎垂直）悬停时，需要产生足够的侧向推力来对抗重力，同时保持精确的位置控制，这就要求飞行器采用完全驱动设计，能够在所有方向上独立产生力和扭矩。
全向空中机械臂的另一关键组成部分是多自由度机械臂，该研究中的机械臂有四个旋转关节，末端配有夹持器。当与全向多旋翼底座结合后，整个系统形成了一个高度灵活的操作平台。
要实现全向空中机械臂的实用化，研究人员需要解决稳定控制和智能规划两大核心问题。在稳定控制方面，当机械臂运动或与环境交互时，会产生力和扭矩作用在飞行器底座上，可能引发不稳定。地面效应、空气动力学扰动等因素也会干扰系统。传统控制器在处理这些干扰时表现有限，特别是在极端姿态下容易失效。为此，研究团队开发了一种名为“gRITE”的新型控制器。这一控制器直接处理三维旋转的几何特性，避免了使用欧拉角等传统方法可能遇到的数学奇点问题。更巧妙的是，它包含一个特殊的“积分”项，能够持续补偿各种干扰的影响。即使机械臂突然运动或抓取未知重量的物体，控制器也能快速调整，保持整个系统的稳定。研究人员证明，通过适当调节控制参数，可以使跟踪误差变得任意小。
在智能规划方面，仅有稳定的控制还不够，如何规划机械臂和飞行器的协调运动同样关键。传统方法通常分别规划飞行器的运动和机械臂的运动，这可能导致次优甚至不可行的方案。研究团队提出了一个创新的两步规划方法：第一步是离线规划末端执行器轨迹，不考虑机器人的具体构型，只规划机械臂末端执行器（夹持器）如何无碰撞地到达目标位置，这种方法大大简化了问题，即使在复杂环境中，也能在几秒钟内计算出全局最优路径；第二步是在线规划全身运动，基于第一步得到的末端执行器轨迹，实时计算机器人全身如何运动，包括飞行器底座应该采取什么姿态、机械臂各关节如何转动，这一步骤考虑了避免与环境的碰撞、避免机械臂与飞行器自身碰撞等多种约束。这种两级规划架构既保证了全局优化，又实现了实时响应（规划频率超过10Hz），当机器人执行任务时，能够根据实际情况随时调整运动计划。
为了验证这一系统的能力，研究团队进行了多组实验。在一组对比实验中，研究人员测试了五种不同控制器在机械臂运动干扰下的表现，设置了0度俯仰角（水平）和 -30度俯仰角（前倾30度）两种场景，机械臂以固定周期摆动，故意产生干扰。结果显示，新开发的gRITE控制器在所有测试中都表现出最佳的抗干扰能力和跟踪精度，特别是在 -30度俯仰角的情况下，基于传统欧拉角设计的控制器性能明显下降，而gRITE控制器仍能保持精确控制，这证明了处理三维旋转几何特性的重要性。
在地面抓取与拉动实验中，传统空中机械臂通常只能从上方接近地面物体，而全向空中机械臂可以以多种姿态完成任务。研究团队设置了基本场景（以常规方式接近并抓取地面物体）、偏航旋转场景（飞行器偏航180度后抓取物体）和俯仰旋转场景（机械臂末端需要旋转180度，相当于从下方抓取）三种场景。在第三种场景中，飞行器需要保持超过90度的俯仰角，接近垂直状态，系统不仅成功抓取了物体，还以这种极端姿态将物体拉动到新位置，传统空中机械臂根本无法完成这样的任务。
在桌面操作挑战实验中，桌面操作对空中机械臂提出了额外挑战，必须避免与桌面碰撞，同时地面效应会干扰飞行稳定性。研究团队展示了物体位于桌面远端和近端两种场景，在两种情况下，全向空中机械臂都能通过倾斜机身、伸展机械臂的组合动作，安全地抓取并拉动物体。规划器计算出避免碰撞的轨迹，控制器则确保精确跟踪这些轨迹。
