西湖大学研发了FlyingToolbox（飞行工具箱）的协同空中操作系统实现多个旋翼无人机空中工具交换

西湖大学赵世钰团队在空中作业机器人领域取得突破性进展，研发了名为FlyingToolbox（飞行工具箱）的协同空中操作系统，国际上首次实现了多个旋翼无人机空中工具交换，成功解决了“近距离飞行vs高精度操作”的核心技术难题，完成了多无人机在“竖叠式”飞行状态下的高精度协同作业。

相关研究工作于北京时间2025年9月24日以“Proximal Cooperative Aerial Manipulation with VERTICALly Stacked Drones”为题，发表于国际期刊Nature。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09575-x

研究背景：飞行的操作手

空中作业机器人是将多旋翼无人机和高自由度机械臂相结合得到的一种新类型的机器人。它既能够发挥无人机大范围快速移动的能力，又能够发挥机械臂小范围精细操作的能力。它能够将无人机从“飞行的摄像机”变成“飞行的操作手”，代替人类在难以抵达的区域进行作业，例如危险物品抓取与放置、高空建筑清洁、接触式检修、空中增材制造等。

研究构想：空中协作

复杂的空中作业任务通常需要多种类型的工具或物资。由于单个空中机器人载荷受限，我们往往需要通过多个空中机器人之间的协作来完成复杂任务。具体来说，不同的空中机器人可以携带不同的载荷：例如一个空中机器人携带不同类型的工具，然后空中机器人之间可以相互交换工具——就像手术过程中护士将工具传递给外科医生进行复杂手术一样。这种协作允许每个空中机器人专注于一个角色，进而通过分工协作完成复杂任务。这种协作当然也可以扩展到其他应用，例如空中电池更换、物料补充等等，为复杂的空中作业任务提供了颇具吸引力的解决方案。

技术挑战：核心矛盾

虽然这个构想听上去非常有趣，但是它面临一个独特的挑战：近距离飞行与高精度操作的矛盾。具体来说，考虑到多旋翼无人机布局的特点，如果两个无人机要交换有效载荷，往往需要采取“竖叠式”的飞行，即一个无人机飞到另一个无人机的上方再交换工具。然而，这种“竖叠式”的飞行会产生持续且强烈的下洗干扰，这可能大幅降低控制精度进而导致任务失败。虽然这种竖叠式飞行也出现在现有的空中着陆、空中悬挂和集群飞行等研究工作中，但这些工作中竖叠式飞行的时间十分短暂，且这些任务不需要精确的空中操作。

解决思路：FlyingToolbox

我们研发了一种名为FlyingToolbox（飞行工具箱）的空中协同操作系统。该系统由一个工具箱无人机和一个操作无人机组成（图1）。工具箱无人机携带多个不同类型的末端执行工具，如爪子、剪刀等（图2）。操作无人机可以飞到工具箱无人机的上方，并能利用其机械臂与某一个需要的工具对接，之后可以利用这个工具完成作业任务。完成作业任务后，操作无人机可以将末端工具归还给工具箱或对接另一个工具以执行不同的任务。

高要求高挑战

空中对接时上下两个无人机之间的垂直距离可接近至 0.6 m，此时会产生达13.18 m/s 的强烈下洗气流（气象学中归为6级“强风”）。而另一方面，为确保上下无人机对接成功，机械臂底部与工具顶部之间的水平位移必须小于 1.5 cm。简而言之，我们需要在强风下实现高精度空中对接。为了应对这些挑战，我们设计了三个核心模块：柔性电磁对接机构、气流扰动估计与补偿方法（图4）、高精度对接与操作控制技术。这些具体的技术细节这里不再介绍，详情请参见论文。

实验结果

视频1展示了基于FlyingToolbox实现的双机协作实验：在工具箱无人机的支持下，一个操作无人机成功执行了多个阶段精细化操作任务。具体来说，操作无人机首先完成剪刀工具的装载，之后剪断一条绳索，随后将工具换成三指软抓，然后将一个目标物体从一个立柱转移到另一个立柱。整个流程包含工具取放、操作执行等环节，全部基于机载算法自主完成。

视频2展示了更加复杂的三机合作的任务场景：两架操作无人机（分别记为 M1 与 M2）与一架工具箱无人机合作，以完全自主的方式执行多阶段复杂操作任务。在这个过程中，三架无人机在场内产生了高动态气流，这一点从视频中窗帘与红丝带的飘动可以看出来，因此这个实验展示了 FlyingToolbox 在复杂多阶段任务中的鲁棒性与多功能性。

视频3展示了FlyingToolbox能够成功实现不少于20 次的连续对接。该实验的主要挑战在于同一工具的反复取放——在每次放置工具的时候，任何细微的精度偏差都可能导致后续拾取对接的失败。20次对接实验的平均误差为0.80厘米（标准差0.33厘米），这一亚厘米级的精度相较于无机械臂补偿的对接系统（精度6~8厘米）有接近一个数量级的精度提升。通过20次连续操作的验证，系统展现出高稳定和高鲁棒的特点，为实际应用提供了重要支撑。

图5展示了一个更加具有挑战性的场景：前面实验中工具箱无人机始终保持悬停状态，而这次工具箱无人机处于运动的状态。该实验展示了FlyingToolbox具有“运动中对接”的能力，这进一步拓宽了其应用范围。

结束语

本工作解决了“近距离飞行与高精度操作”之间的技术难点，成功实现了空中竖叠式多无人机工具交换的协作任务。系统的高精度、鲁棒性、多功能性使其成为实际任务提供潜在解决方案。我们相信这个工作能够启发更多研究人员从事关于空中作业任务的研究，实现例如空中换电池、物资补给等更加复杂的任务（视频4）。此外，空中作业机器人位于低空经济和具身智能两大领域的交汇处，具有广阔的应用前景。