Integration of a Variable Stiffness Link for Long-Reach Aerial Manipulation

📄 arXiv: 2510.15639v1 📥 PDF

作者: Manuel J. Fernandez, Alejandro Suarez, Anibal Ollero, Matteo Fumagalli

分类: cs.RO

发布日期: 2025-10-17

💡 一句话要点

集成变刚度连接件，实现长臂空中操作的灵活性与精确性

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 空中操作 变刚度连接件 长臂机械臂 遥操作 柔顺性控制

📋 核心要点

  1. 传统长臂空中操作系统依赖刚性或缆绳连接，存在精度不足或扰动传递问题，限制了操作性能。
  2. 本文提出一种变刚度连接件（VSL），通过调节刚度，使连接件在柔性和刚性状态间切换，适应不同任务需求。
  3. 实验结果表明，VSL的柔性配置可衰减扰动，刚性配置可提高定位精度，实现了柔顺性和精度之间的平衡。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种用于长臂空中操作的变刚度连接件（VSL）集成方案，实现了空中多旋翼平台和双臂机械臂之间可调节的机械耦合。传统的长臂操作系统依赖于刚性或缆绳连接，这限制了精度或将扰动传递给飞行器。所提出的VSL引入了一种可调节的刚度机制，允许连接件根据任务需求表现为柔性绳索或刚性杆。该系统安装在配备LiCAS双臂机械臂的四旋翼飞行器上，并通过遥操作实验进行评估，实验涉及外部扰动和包裹运输任务。结果表明，改变连接件刚度会显著改变无人机和有效载荷之间的动态交互。柔性配置衰减了外部冲击和气动扰动，而刚性配置提高了操作阶段的定位精度。这些结果证实了VSL增强了通用性和安全性，在柔顺性和精度之间提供了可控的权衡。未来的工作将侧重于自主刚度调节、多绳配置、协同空中操作以及用户研究，以进一步评估其对遥操作和半自主空中任务的影响。

🔬 方法详解

问题定义：长臂空中操作面临精度和稳定性的挑战。刚性连接虽然精度高，但容易将外部扰动传递给飞行平台，影响飞行稳定性。而柔性连接虽然可以吸收扰动，但定位精度较差，难以完成精细操作。因此，如何在长臂空中操作中实现高精度和高稳定性的平衡是一个关键问题。

核心思路：本文的核心思路是引入一个可变刚度的连接件（VSL），通过调节连接件的刚度，使其在柔性和刚性两种状态之间切换。在需要高精度操作时，将连接件设置为刚性状态；在需要吸收扰动时，将连接件设置为柔性状态。这样就可以在不同的任务场景下，根据实际需求选择合适的刚度，从而实现精度和稳定性的平衡。

技术框架：该系统主要由一个四旋翼飞行平台、一个双臂机械臂和一个变刚度连接件（VSL）组成。四旋翼飞行平台负责提供飞行能力，双臂机械臂负责执行操作任务，VSL则连接飞行平台和机械臂，起到传递力和运动的作用。整个系统通过遥操作进行控制，操作员可以根据实际情况调节VSL的刚度。

关键创新：本文最重要的技术创新点在于变刚度连接件（VSL）的设计。传统的连接件要么是刚性的，要么是柔性的，而VSL则可以根据需要调节刚度，从而实现柔性和刚性两种状态的切换。这种可变刚度的特性使得系统能够适应不同的任务场景，从而提高了系统的通用性和灵活性。

关键设计：关于VSL的具体设计细节，论文中没有详细描述。但是，可以推测其设计需要考虑以下几个关键因素：1）刚度调节范围：VSL需要能够提供足够大的刚度调节范围，以满足不同任务的需求。2）响应速度：VSL的刚度调节需要足够快，以便能够及时响应外部扰动或任务变化。3）重量和体积：VSL的重量和体积需要尽可能小，以免影响飞行平台的性能。4）可靠性：VSL需要具有足够的可靠性，以保证系统的稳定运行。

📊 实验亮点

实验结果表明，通过调节VSL的刚度，可以显著改变无人机和有效载荷之间的动态交互。在柔性配置下，VSL能够有效衰减外部冲击和气动扰动；在刚性配置下，VSL能够提高操作阶段的定位精度。这些结果验证了VSL在提高长臂空中操作的通用性和安全性方面的潜力。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于多种长臂空中操作场景，如高空电力线路维护、桥梁检测、灾后救援等。通过调节连接件刚度，系统既能保证操作精度，又能有效抑制外部扰动，提高作业效率和安全性。未来，随着自主控制技术的发展，该系统有望实现全自主操作，进一步拓展应用范围。

📄 摘要（原文）

This paper presents the integration of a Variable Stiffness Link (VSL) for long-reach aerial manipulation, enabling adaptable mechanical coupling between an aerial multirotor platform and a dual-arm manipulator. Conventional long-reach manipulation systems rely on rigid or cable connections, which limit precision or transmit disturbances to the aerial vehicle. The proposed VSL introduces an adjustable stiffness mechanism that allows the link to behave either as a flexible rope or as a rigid rod, depending on task requirements. The system is mounted on a quadrotor equipped with the LiCAS dual-arm manipulator and evaluated through teleoperated experiments, involving external disturbances and parcel transportation tasks. Results demonstrate that varying the link stiffness significantly modifies the dynamic interaction between the UAV and the payload. The flexible configuration attenuates external impacts and aerodynamic perturbations, while the rigid configuration improves positional accuracy during manipulation phases. These results confirm that VSL enhances versatility and safety, providing a controllable trade-off between compliance and precision. Future work will focus on autonomous stiffness regulation, multi-rope configurations, cooperative aerial manipulation and user studies to further assess its impact on teleoperated and semi-autonomous aerial tasks.