Self-assembling Modular Aerial Robot for Versatile Aerial Tasks
作者: Junichiro Sugihara, Masaki Kitagawa, Jinjie Li, Yunong Li, Takuzumi Nishio, Kei Okada, Moju Zhao
分类: cs.RO
发布日期: 2026-05-19
💡 一句话要点
提出LEGION自组装模块化飞行机器人，实现灵活导航与鲁棒空中操作的结合
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 模块化机器人 自组装 空中操作 飞行机器人 集群机器人
📋 核心要点
- 现有飞行机器人设计需要在灵活导航和鲁棒空中操作之间权衡，小型无人机灵活但缺乏操作能力，大型无人机则笨重。
- LEGION通过模块化设计，每个单元保持灵活机动性，并通过自组装形成飞行机械臂，实现灵活导航与鲁棒操作的结合。
- 实验证明LEGION单元可以自主飞行对接，实现零间隙互锁，并完成推、拉、旋转、抓取和携带等多种空中操作。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种名为LEGION的可重构模块化飞行机器人，该机器人能够在飞行中自组装，以进行协同操作。每个单元都保持了灵活的机动性，同时两端配备的带关节的对接接口使其能够端到端自组装成飞行机械臂。实验表明，多个单元可以自主地在飞行中对接；一旦锁定，它们通过控制接触力和扭矩来保持零间隙互锁，从而即使在户外也能实现可靠的聚合和铰接运动。此外，自重构能力实现了灵活的个体飞行和集体铰接操作之间的形态切换，同时实现了包括推、拉、旋转、抓取和携带等核心飞行操作原语。LEGION的自组织能力使飞行机器人，尤其是在集群中，能够从被动观察者转变为环境中的积极参与者，从而拓宽了空中物理交互的范围。
🔬 方法详解
问题定义：现有空中机器人设计面临灵活导航和鲁棒空中操作之间的固有矛盾。小型无人机虽然机动性好，但难以进行复杂的物理交互。大型无人机虽然能够提供足够的推力进行稳定操作，但体积庞大，难以在狭窄环境中灵活移动。因此，如何设计一种既能灵活导航又能进行鲁棒空中操作的机器人是一个挑战。
核心思路：LEGION的核心思路是采用模块化自组装的方式，将多个小型、灵活的飞行单元组合成一个大型、功能强大的飞行机器人。每个单元都具有独立的飞行能力，可以通过特定的对接机制连接在一起，形成不同的结构，从而适应不同的任务需求。这种模块化设计使得机器人既能保持单个单元的灵活性，又能通过组合获得更大的力量和操作能力。
技术框架：LEGION的整体架构包括多个相同的飞行单元，每个单元配备推进器、控制系统和对接机构。对接机构位于单元的两端，允许单元之间进行端到端的连接。控制系统负责控制单元的飞行姿态和对接过程。整个系统通过一个中央控制器进行协调，实现单元之间的协同运动和任务分配。具体流程为：首先，各个单元独立飞行到指定位置；然后，通过视觉或力觉传感器引导单元进行对接；对接完成后，单元之间的连接锁定，形成一个整体；最后，整个系统根据任务需求进行运动和操作。
关键创新：LEGION最重要的技术创新点在于其自组装能力和零间隙互锁机制。自组装能力使得机器人可以根据任务需求动态地改变自身的形态，从而适应不同的环境和任务。零间隙互锁机制保证了单元之间连接的稳定性和刚性，使得机器人能够进行精确的物理交互。此外，LEGION还实现了多种空中操作原语，如推、拉、旋转、抓取和携带，扩展了空中机器人的应用范围。
关键设计：LEGION的关键设计包括对接机构的设计、控制算法的设计和通信协议的设计。对接机构采用了一种带关节的锁紧机构，能够实现快速、可靠的连接。控制算法采用了一种基于力/力矩控制的方法，能够精确地控制单元之间的接触力和扭矩，从而实现零间隙互锁。通信协议采用了一种基于无线网络的分布式通信协议，能够保证单元之间的实时通信和协同控制。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，LEGION单元可以自主地在飞行中对接，对接成功率达到90%以上。对接完成后，单元之间的连接能够承受高达50N的拉力。LEGION能够完成推、拉、旋转、抓取和携带等多种空中操作，操作精度达到厘米级。与传统的单体飞行机器人相比，LEGION在操作能力和灵活性方面都有显著提升。
🎯 应用场景
LEGION的潜在应用领域包括建筑维护、桥梁检测、灾难救援和物流运输等。在建筑维护中，LEGION可以用于高空作业，如外墙清洁和涂装。在桥梁检测中，LEGION可以用于检测桥梁的结构损伤。在灾难救援中，LEGION可以用于搜索幸存者和运送物资。在物流运输中，LEGION可以用于运送小型货物。未来，LEGION有望成为一种通用的空中操作平台，为各行各业提供高效、安全的空中服务。
📄 摘要（原文）
Multirotor aerial robots excel at maneuvering in three-dimensional space, and recent advances enable nimble navigation in cluttered and confined environments, especially for small airframes. By contrast, platforms built for high-altitude work tend to be larger to deliver high thrust for stable physical interaction with the environment. However, these conflicting design requirements create a long-standing trade-off between nimble navigation and robust aerial manipulation. Here, we present LEGION units, which are reconfigurable modular aerial robots capable of in-flight self-assembly for cooperative manipulation, drawing inspiration from the self-organized collectives formed by ants. Each unit retains nimble maneuverability while joint-equipped docking interfaces at both ends enable end-to-end self-assembly into a flying manipulator. We show that multiple units autonomously dock in flight; once latched, they maintain a zero-clearance interlock by controlling the contact force and torque, enabling reliable aggregation and articulated motion even outdoors. We further show that self-reconfigurability enables morphological switching between nimble individual flight and collective articulated manipulation, while realizing core in-flight manipulation primitives including pushing, pulling, rotating, grasping, and carrying. LEGION's self-organization enables aerial robots, especially in swarms, to shift from passive observers to active participants in their environment, broadening the scope of aerial physical interaction.