美国斯坦福大学和格罗宁根大学的研究人员合作，通过引入被动触发夹持器，四旋翼无人机实现了在飞行过程中抓取空中目标。

这项研究为提升四旋翼无人机与环境的交互能力提供了新思路，有望拓展四旋翼无人机的应用范围。

12毫秒抓捕稳准狠

世界上没有两片相同的雪花，树枝也是一样，每根树枝的大小、形状和质地存在差异，比如有些可能是湿润的，或长满了苔藓，或有分叉。不过，鸟类落在树枝上时，不受这些树枝情况的影响，哪里都可以着陆。多年来，无人机已经可以在天空上自由飞行，却并没有掌握稳定的着陆能力，经常“栽跟头”。鸟类几乎可以用脚爪缠住任何东西，掠过海浪尖的鹈鹕可以突然降落在码头的桩上，猫头鹰能以64km/h的速度俯冲下抓住一只老鼠，这为斯坦福大学的研究人员带来了启迪。

斯坦福大学工程师马克·卡特科斯基（Mark Cutkosky）和大卫·伦廷克（David Lentink）实验室的研究人员对鸟类的着陆能力非常感兴趣。伦廷克说：“对于我们来说，有个想法很鼓舞人心——如果设计不同的起落架，机器人就可以在任何地方着陆。”

于是，两个实验室的研究人员共同为“空中机器人”开发了一种自动“机器脚爪”，名为SNAG。像真实的鸟类一样，SNAG每次都以相同的方式靠近物体并着陆。SNAG能够成功抓握住空中的豆袋和网球，并在触发时以受控方式释放它们。科研人员又在此基础上做了功能延续，因此无人机又多了一项逆天技能——空中捕猎！

比如实验中，前方一架小无人机正常飞行，突然身后冲出一架“猛禽”无人机，像被猎鹰附体般以迅雷不及掩耳之势，一把抓住小无人机，然后带着它迅速飞走……而这次学会空中捕猎的无人机正是“仿生鸟”的延续版，斯坦福大学的研究人员将重心从“栖息”转移到“抓捕”上，设计了更轻快的爪子，虽然没有了“大长腿”，但空中抓捕的技术有了更大的突破！

“这么强”的爪子怎么设计？

能稳准狠地抓住飞行中的无人机，究竟是如何做到的呢？首先要清楚的是，空中抓捕包括三个不同的阶段：碰撞前追逐目标、捕获、然后成功飞行。其中，最大的挑战是最后一步——捕获后的成功飞行。

之前的长腿“仿生鸟”无人机也能实现一些简单的抓捕任务，例如：抓住一个小球。抓取静态物体对无人机产生的干扰较小，因此相对简单；相比之下，抓取动态的物体就完全不同了，无人机非常容易被目标带“跑偏”，一不小心就会翻车。

为了尽可能地减少干扰，使无人机在抓捕目标后保持稳定，爪子的设计非常重要！关键词是“轻”和“快”：重量减轻可以使惯性最小化，而快速抓握能够避免目标逃跑！抱着这样的目的，研究人员开发了一个安装在柔性悬架上的被动触发抓取器，与传感器监测方式相比，被动触发机制能够让抓取器利用存储的势能快速闭合，而且也更轻。最终，他们设计的无人机爪子仅重 23 克，可以在和目标碰撞后的 12 毫秒内快速闭合！

除此之外，无人机的爪子还模仿了猎鹰的特点：在抓到猎物后向后摆腿。这个机制有两种功能：第一个是在撞击点降低无人机和猎物之间的相对速度；第二个是将猎物的重心从无人机的前方移动到无人机的正下方。这大大增加了成功捕获后的稳定性。

精确控制三大要素

研究人员构建了无人机与目标的相互作用模型，根据两者的相对速度可实时计算能安全捕获目标的重量范围，同时还设计出可自动触发的夹持器以及抓取控制器。

其中，夹持器重23 g，通过被动机械触发，无需传感和计算控制回路，最大限度减少了响应时间，可在12 ms内关闭；抓取控制器由机载控制器、轨迹模块和比例-积分-微分（PID）控制器组成。飞行实验表明：在相对速度为1 m/s~2.7 m/s的范围内，重550 g的无人机可抓取重85 g的空中目标。

1.机载控制器用于命令电机速率，以保持所需的速度。它由一个自动驾驶板、一个配套的计算机和马达控制器组成。2.轨迹模块计算起始位置、目标位置和结束位置之间的直线轨迹。为了在整个飞行过程中保持恒定的俯距，模块被设计成在目标位置前后有一个恒定的速度缓冲。3.PID控制器模块命令抓取无人机跟随所需的轨迹。控制器获取无人机的位置和所需的位置来计算PX4自动驾驶仪跟踪的所需速度。PX4的低电平控制器计算以所命令的速度飞行所需的转子速率。

控制回路如图所示。轨迹模块（橙色）会将所需的位置发送给PID控制器模块，然后该模块会将该值与mo-cap系统所确定的位置（紫色）进行比较。这些飞行数据（粉红色）然后在各模块之间发送。通过该控制方案，实现了无人机与目标无人机撞击时速度的精确控制。

这项研究获得了IROS2022 机制与设计最佳论文奖，发表在《IEEE Robotics and Automation Letter》期刊中，标题为“Aerial Grasping and the Velocity Sufficiency Region”。

在论文结尾，研究人员表示这项研究是对无人机空中捕猎的初步探索，未来还有很多进步的空间：比如可以对“无人机猎物”进行视觉跟踪，实现全面的空中追踪和捕获；再者，爪子的摆动机制还可以进一步开发和测试，达到更高的相对速度；还有一种提升的方法是在夹持器的底部增加一个主动控制的关节，或包含更复杂的飞行动作，来解耦俯仰角和夹持器机制。期待着未来的无人机能解锁更多技能吧！

文章来源： 机器人大讲堂，大数据文摘，蓝海星智库，极果网