空中操作机器人运动规划技术研究进展与展望

doi:10.7527/S1000-6893.2026.33402

先进飞行器安全控制技术专刊

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空中操作机器人运动规划技术研究进展与展望

张智星¹, 钟杭¹^,²^,³, 张彩霞⁴, 梁嘉诚¹, 刘兰兰⁵, 王耀南¹()

^1.湖南大学人工智能与机器人学院，长沙 410082
^2.湖南大学粤港澳大湾区创新研究院，广州 511340
^3.江西省通讯终端产业技术研究院有限公司，吉安 343000
^4.湖南大学电气与信息工程学院，长沙 410082
^5.国网湖南省电力有限公司超高压输电公司，长沙 410004

收稿日期:2026-01-20 修回日期:2026-02-26 接受日期:2026-03-24 出版日期:2026-04-07 发布日期:2026-04-02
通讯作者: 王耀南 E-mail:yaonan@hnu.edu.cn
基金资助:
江西省重点研发计划(20243BBG71017);湖南省重点研发计划(2024JK2057);抚州市揭榜挂帅项目(2023JBA04);装备状态感知与敏捷保障全国重点实验室基金(WDZC20255290508);广东省基础与应用基础研究基金(2024A1515240062);湖南省研究生科研创新项目(CX20240033)

Research progress and prospect of motion planning technology for aerial manipulators

Zhixing ZHANG¹, Hang ZHONG¹^,²^,³, Caixia ZHANG⁴, Jiacheng LIANG¹, Lanlan LIU⁵, Yaonan WANG¹()

^1.College of Artificial Intelligence and Robotics，Hunan University，Changsha 410082，China
^2.Greater Bay Aera Institute for Innovation，Hunan University，Guangzhou 511340，China
^3.Jiangxi Communication Terminal Industry Technology Research Institute Co. ，Ltd. Ji’an 343000，China
^4.College of Electrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China
^5.UHV Transmission Company，State Grid Hunan Electric Power Co. ，Ltd. Changsha 410004，China

Received:2026-01-20 Revised:2026-02-26 Accepted:2026-03-24 Online:2026-04-07 Published:2026-04-02
Contact: Yaonan WANG E-mail:yaonan@hnu.edu.cn
Supported by:
Key RD Program of Jiangxi Province(20243BBG71017);Key RD Program of Hunan Province(2024JK2057);Fuzhou Jiebang Leading Project(2023JBA04);National Key Laboratory for Equipment Status Perception and Agile Support Fund(WDZC20255290508);Guangdong Province Basic and Applied Basic Research Fund(2024A1515240062);Postgraduate Scientific Research Innovation Project of Hunan Province(CX20240033)

摘要/Abstract

摘要：

空中操作机器人通过与环境建立持续或瞬态的物理接触，从传统的信息获取平台拓展为具备主动作业能力的复杂交互系统，从“被动感知”向“主动作业”演进，在桥梁、电网、油气管道等大型能源交通基础设施的复杂交互场景中具有广阔应用前景。与非接触式飞行作业相比，接触式作业包含显著的动力学耦合、接触力限制及多模态运动切换，引入的高维非线性约束限制了运动规划的可行解空间，制约了系统的自主性与稳定性。针对上述挑战，系统综述了空中操作机器人运动规划领域的研究进展。首先，从系统架构出发，分析各类飞行平台构型以及作业机构对可规划空间与作业能力的影响；其次，总结了面向运动规划的系统建模方法，接触动力学建模与各类任务规划约束；在此基础上，围绕接触式作业任务的规划需求，分别介绍了基于采样、基于优化及基于学习的3类主流运动规划算法，分析其发展趋势，并比较其在高维状态搜索、动力学约束处理及实时重规划等方面的适用性与局限性。最后，总结了空中操作机器人面临的挑战并对未来发展趋势进行了展望。

关键词: 空中操作机器人, 旋翼飞行机器人, 运动规划, 接触式作业, 系统建模

Abstract:

By establishing continuous or transient physical contact with the environment， aerial manipulators have expanded from traditional information acquisition platforms to complex interactive systems with active operation capabilities， evolving from “passive sensing” to “active operation”. They have broad application prospects in complex interaction scenarios of large-scale energy and transportation infrastructure such as bridges， power grids， and oil and gas pipelines. Compared with non-contact flight operations， contact operations involve significant dynamic coupling， contact force constraints， and multi-modal motion switching. The introduced high-dimensional nonlinear constraints limit the feasible solution space of motion planning and restrict the autonomy and stability of the system. To address these challenges， this paper systematically reviews the research progress in the field of motion planning for aerial manipulators. Firstly， starting from the system architecture， this paper analyzes the influences of various flight platform configurations and operation mechanisms on the plannable space and operation capability. Secondly， it summarizes system modeling methods for motion planning， contact dynamics modeling， and various task planning constraints. On this basis， focusing on the planning requirements of contact operation tasks， three mainstream types of motion planning algorithms， namely sampling-based， optimization-based， and learning-based algorithms， are introduced respectively. Their development trends are analyzed， and their applicability and limitations in high-dimensional state search， dynamic constraint handling， and real-time replanning are compared. Finally， the challenges faced by aerial manipulators are summarized and future development trends are prospected.

Key words: aerial manipulators, multirotor aerial robots, motion planning, contact operation, system modeling

中图分类号:

V279.2

张智星, 钟杭, 张彩霞, 梁嘉诚, 刘兰兰, 王耀南. 空中操作机器人运动规划技术研究进展与展望[J]. 航空学报, 2026, 47(9): 533402.

Zhixing ZHANG, Hang ZHONG, Caixia ZHANG, Jiacheng LIANG, Lanlan LIU, Yaonan WANG. Research progress and prospect of motion planning technology for aerial manipulators[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(9): 533402.

图/表 24

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表3

空中操作机器人运动规划技术研究汇总

规划方法	研究单位	系统机构	实现任务
基于采样	西班牙塞维利亚大学^［56］	平行轴四旋翼平台+六关节串联机械臂	物体抓取
	加拿大西蒙·弗雷泽大学^［57］	平行轴四旋翼平台+二关节串联机械臂	物体抓取
	西班牙塞维利亚大学^［58］	平行轴四旋翼平台+三关节串联机械臂（双臂）	物体抓取运输
	韩国首尔国立大学^［54］	平行轴四旋翼平台（双机）+二关节串联机械臂	物体抓取运输
	美国内华达大学^［59］	平行轴四旋翼平台+刚性固连机构	曲面滑动接触
	法国国家科学研究中心^［55］	固定倾角多旋翼式平台+二关节串联机械臂	滑动接触检测
	湖南大学^［60］	固定倾角多旋翼式平台+单自由度机械臂	曲面滑动接触检测
基于优化	美国宾夕法尼亚大学^［61］	平行轴四旋翼平台+多类串联机械臂	物体抓取+表面书写
	南开大学^［62］	平行轴六旋翼平台+二关节串联机械臂	物体抓取
	北京通用人工智能研究院^［63］	复合可变倾角平台+三关节串联机械臂	开启柜门、抽屉
	中国科学院大学^［7］	平行轴四旋翼平台+刚性固连机构	线缆着陆检测
	德国斯图加特大学^［64］	平行轴四旋翼平台+单自由度串联机械臂	动态物体交接
	中山大学^［36］	平行轴四旋翼平台+绳系机构	物体吊运
	美国卡内基梅隆大学^［12］	固定倾角六旋翼平台+刚性固连机构	表面书写
基于学习	瑞士苏黎世联邦理工学院^［65］	可变倾角六旋翼平台+刚性固连机构	开启柜门
	荷兰代尔夫特理工大学^［66］	平行轴四旋翼平台+二关节机械臂	推动物体
	北京航空航天大学^［67］	平行轴六旋翼平台+二关节机械臂	目标抓取
	北京航空航天大学^［68］	平行轴四旋翼平台+刚性固连机构/绳系机构	目标抓取、绳系牵引
	上海交通大学^［69］	平行轴四旋翼平台+刚性固连机构	目标抓取
	美国约翰斯·霍普金斯大学^［70］	平行轴四旋翼平台+刚性固连机构	推动物体
	美国卡内基梅隆大学^［71］	固定倾角六旋翼平台+四关节串联机械臂	表面书写+物体抓取放置
	中山大学^［45］	平行轴四旋翼平台+并联机械臂	表面书写+物体抓取

表3

图12

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图14

图 15

表4

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图 18

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参考文献 102

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

平台类型	优势	不足	适用任务
平行轴多旋翼式	结构简单，悬停效率高，控制方案成熟	欠驱动特性导致力/位耦合，交互方向受限	物体抓取^［24］、空中装配^［25］、吊运运输^［26］
固定倾角多旋翼式	可实现位置/姿态独立控制，接触稳定性强	能量效率较低	孔对接^［27］、表面接触^［28-30］
可变倾角多旋翼式	构型灵活度极高，兼顾推力矢量与能量效率	机械与控制系统复杂，维护成本高	大姿态倾转接触^［18］、重载推拉^［31-32］

平台类型	优势	不足	适用任务
绳系机构	质量轻，成本低，便于部署	无法输出持续推力	吊运运输^［26］
刚性机构	刚度大，成本低	纯刚性接触，容易发生冲击振动	孔对接^［27］，表面接触^{［28，31-32］}
串联机械臂	可控自由度高，作业空间大	刚度较低，重心偏移显著	栖息^［33］，物体抓取放置^［47］
并联机械臂	可控自由度高，精度高，刚度较大	作业空间较小，运动解算较复杂	空中装配^［25］，推拉物体^［48］

空中操作机器人运动规划技术研究进展与展望

Research progress and prospect of motion planning technology for aerial manipulators

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