在之前的推文中，我們介紹了什么是空中作業(yè)機(jī)器人。大家知道了空中作業(yè)機(jī)器人是無(wú)人機(jī)和機(jī)械臂的結(jié)合體，一定很好奇空中作業(yè)機(jī)器人都有什么應(yīng)用。寫這篇文章的目的就是解答大家心中的疑惑。在回答大家的疑惑之前，首先給大家介紹一些背景知識(shí)，那就是什么是空中應(yīng)用，它的類別是什么？再結(jié)合空中作業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)來(lái)講一講現(xiàn)有的空中作業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用。

01

空中應(yīng)用分類

空中應(yīng)用是指利用空基的設(shè)備完成一些特定的任務(wù)，這里的空基設(shè)備包括無(wú)人機(jī)和空中作業(yè)機(jī)器人等。如圖 1所示，我們按照交互性強(qiáng)弱把現(xiàn)有的空中應(yīng)用分為四類：無(wú)交互、弱交互、中交互和強(qiáng)交互。這四類的定義分別如下：

• 無(wú)交互是指和環(huán)境不存在接觸等力交互，這類任務(wù)以感知環(huán)境為目標(biāo)，對(duì)環(huán)境無(wú)改變。無(wú)交互應(yīng)用主要包括消費(fèi)級(jí)以及工業(yè)級(jí)航拍、巡線、監(jiān)測(cè)、測(cè)繪等，在過(guò)去十年無(wú)交互應(yīng)用是商業(yè)爭(zhēng)奪最為激烈的領(lǐng)域。
• 弱交互是指無(wú)人機(jī)可影響改變環(huán)境狀態(tài)但是不存在強(qiáng)的交互力。弱交互的應(yīng)用主要包括農(nóng)業(yè)植保、空中物流、飛行汽車。在過(guò)去五年和現(xiàn)在，這些領(lǐng)域都出現(xiàn)了激烈的競(jìng)爭(zhēng)，并且在可以預(yù)見的時(shí)間內(nèi)，市場(chǎng)會(huì)逐步整合。
• 中交互是指與環(huán)境有頻繁的動(dòng)作交互，其代表的應(yīng)用包括近些年興起的無(wú)人機(jī)消防、噴涂、惡意無(wú)人機(jī)追捕等。目前在中交互的應(yīng)用，中小企業(yè)逐漸發(fā)展、行業(yè)落地不斷深化。
• 強(qiáng)交互是指以改變環(huán)境狀態(tài)為目標(biāo)，與環(huán)境有很強(qiáng)的動(dòng)作和力交互。其主要包含的應(yīng)用包括高空建筑物接觸式檢測(cè)、安裝、清潔等。從市場(chǎng)的角度來(lái)說(shuō)，強(qiáng)交互具有廣闊的前景，并且目前強(qiáng)交互相關(guān)的企業(yè)較少，還處于萌芽狀態(tài)。

圖 1 交互性強(qiáng)弱分類與應(yīng)用對(duì)應(yīng)關(guān)系

02空中作業(yè)機(jī)器人特點(diǎn)

空中作業(yè)機(jī)器人是一種新型的機(jī)器人，其兼具無(wú)人機(jī)的快速空間移動(dòng)能力和機(jī)械臂的精確操縱能力。簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)，可以將空中作業(yè)機(jī)器人看做是無(wú)人機(jī)和作業(yè)機(jī)構(gòu)的結(jié)合。具有無(wú)人機(jī)和作業(yè)機(jī)構(gòu)二重能力的空中作業(yè)機(jī)器人，可以拓展無(wú)人機(jī)的應(yīng)用的場(chǎng)景，讓無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)從“看”向“做”的跨越。

 圖 2 空中作業(yè)機(jī)器人

空中作業(yè)機(jī)器人相較于無(wú)人機(jī)最大的區(qū)別在于其具有精確的操縱能力和環(huán)境交互能力，因此空中作業(yè)機(jī)器人更適合那些交互性強(qiáng)的應(yīng)用場(chǎng)景。

03現(xiàn)有的空中作業(yè)機(jī)器人應(yīng)用?

從任務(wù)的角度上看，可以將空中作業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用分為接觸式檢測(cè)、清潔、噴涂、搬運(yùn)和操作。

▌接觸式檢測(cè)

接觸式檢測(cè)的研究主要側(cè)重于油氣管道和橋面的研究，主要用于檢測(cè)管道的裂紋和橋底的裂紋，便于相關(guān)設(shè)施的維護(hù)。接觸式檢測(cè)主要面向那些需要定期進(jìn)行定期接觸檢修（如探傷、檢查裂紋等）的場(chǎng)景。并且這些場(chǎng)景因?yàn)楦叨然蛘攮h(huán)境的特殊性，如果由人去完成，則會(huì)存在很大的安全風(fēng)險(xiǎn)并且檢測(cè)的效率也很低。

圖 3 接觸式檢測(cè) （a）塞維利亞大學(xué)開發(fā)的油氣管道檢測(cè)機(jī)器人[1];（b）ETH開發(fā)的橋梁檢測(cè)機(jī)器人[2]

▌清洗

關(guān)于清洗的研究主要集中在一些較為光滑的表面的清洗，比如墻面、玻璃和光伏電池，目前已經(jīng)有國(guó)外創(chuàng)業(yè)公司（如西班牙的CleanDrone公司）從事空中清洗作業(yè)機(jī)器人方面的研究。

圖 4 西班牙的CleanDrone公司將空中作業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于墻壁和光伏電池的清洗[3]

▌噴涂

關(guān)于噴涂的研究主要集中在墻面的噴涂和logo的噴涂。瑞士的Voliro公司已經(jīng)在這個(gè)方向進(jìn)行了一些研究，開發(fā)了一款用于墻面噴涂的空中作業(yè)機(jī)器人，其采用全驅(qū)動(dòng)的飛行平臺(tái)，可以更為靈活的實(shí)現(xiàn)噴涂。除此之外，ETH和迪士尼一起聯(lián)合開發(fā)了用于噴涂繪畫的空中噴涂機(jī)器人。從目前的效果上看，現(xiàn)有研究的噴涂還只能用于一些對(duì)精度要求低的場(chǎng)景，想要進(jìn)一步擴(kuò)展應(yīng)用還需要提高噴涂作業(yè)的精度。

圖 5 噴涂（a）瑞士的Voliro公司將空中作業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于噴涂墻面[4];（b）ETH和迪士尼開發(fā)的空中噴涂機(jī)器人[5] 

▌搬運(yùn)

關(guān)于空中作業(yè)機(jī)器人在搬運(yùn)方面的研究工作最多。搬運(yùn)可以分為簡(jiǎn)單搬運(yùn)和特殊場(chǎng)景下的搬運(yùn)，大部分的研究都主要集中在簡(jiǎn)單的搬運(yùn)。針對(duì)無(wú)人機(jī)無(wú)法直接前往的復(fù)雜地形，塞維利亞大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)將機(jī)械臂通過(guò)一根纜索和無(wú)人機(jī)相連，獲得的新型空中作業(yè)機(jī)器人可以在一些復(fù)雜地形下完成搬運(yùn)任務(wù)。此外，還有一類特殊的搬運(yùn)，把一些特殊的物品如傳感器搬運(yùn)到指定的位置。塞維利亞大學(xué)團(tuán)隊(duì)基于這種思路利用一個(gè)四旋翼無(wú)人機(jī)和一個(gè)單連桿機(jī)構(gòu)開發(fā)了一款傳感器部署機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)傳感器的部署與回收。 

圖 6 搬運(yùn) （a）塞維利亞大學(xué)利用空中作業(yè)機(jī)器人開發(fā)了一套遠(yuǎn)距離搬運(yùn)系統(tǒng)[6];（b）西班牙塞維利亞大學(xué)的傳感器部署機(jī)器人[7]

▌操縱

關(guān)于操縱的研究主要集中在按鈕、閥門和門等物品的操縱上，這類應(yīng)用充分利用了空中作業(yè)機(jī)器人的高精度操縱能力和物理交互能力。目前，這方面的應(yīng)用吸引了大量研究者的目光。這方面的研究主要集中在如何提供足夠的操縱力？如何實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的操縱？等等。

圖 7 操縱 （a）ETH開發(fā)的擰閥門空中機(jī)器人[8];（b）首爾國(guó)立大學(xué)開發(fā)的開門機(jī)器人[9]

04

總結(jié) 

空中作業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)是兼具無(wú)人機(jī)和作業(yè)機(jī)構(gòu)的二重特性，使得其相較于傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)擁有更強(qiáng)的交互能力、更高的操縱精度、更高的可擴(kuò)展性。這些特點(diǎn)可以讓空中作業(yè)機(jī)器人去完成更多的任務(wù)，同時(shí)不同的任務(wù)對(duì)空中作業(yè)機(jī)器人也提出了不同的要求，這要求了空中作業(yè)機(jī)器人要依據(jù)任務(wù)來(lái)進(jìn)行開發(fā)。

空中作業(yè)機(jī)器人是否具有商業(yè)價(jià)值呢？答案一定是肯定的，空中作業(yè)的優(yōu)勢(shì)是可以將人類從一些高危的工作中解放出來(lái)的，另外它也能提高生產(chǎn)或者維護(hù)的效率。但是，從目前的應(yīng)用上來(lái)看，還有很多的技術(shù)問(wèn)題需要進(jìn)一步解決，離真正的落地且商業(yè)化應(yīng)用還有一定的距離。