在城市配送、應急物資投放和倉儲揀選等場景，人們期待無人機能夠獨立完成“取-運-投”全流程。然而主流多旋翼通常采用下掛式夾爪或機械臂，包裹懸在機體下方，帶來重心下移、轉動慣量增加等問題。為突破這一結構瓶頸，清華大學機械工程系趙慧嬋副教授團隊（Soft Robotics Lab），于今年5月在機器人頂刊The International Journal of Robotics Research 發表論文 “A Center-less Quadrotor Design with a Soft Enveloping Grasper for Aerial Grasping and Delivery Tasks”。論文提出 “中空四旋翼 + 柔性包覆抓手” 架構，通過將機身中央鏤空為貨倉并在內壁嵌入可充氣硅膠抓手，使質心保持在螺旋槳平面，兼顧穩定飛行與高效抓取，為末端物流提供了一種緊湊、穩健的新方案。

視頻來源:https://www.youtube.com/watch?v=qKxT7bOusKE

01 研究背景

目前，主流的空中抓取系統多采用以下兩種思路：
1. 懸掛式機械臂/夾爪：
常見于空中操作研究，夾爪安裝于無人機底部，抓取動作會導致重心偏移，飛控穩定性下降，且操控復雜。
2. 特種抓取機構
磁吸、吸盤、柔性夾爪等方案在特定目標上成功率高，但對包裹材質和尺寸依賴強，通用性與載重受限。

同時，傳統多旋翼中央艙被飛控、電池等設備占據，貨物只能懸掛，進一步放大質心變化并依賴人工或固定基站裝卸。

• 質心與慣量劇變，削弱姿態穩定性

• 抓取機構-飛控耦合復雜，控制難度高

• 高度依賴人工/基站，難以真正實現端到端自主投遞

02 技術亮點

本研究圍繞無人機空中抓取與投遞過程中的質心控制、抓取適應性與降落容差三大核心難點，提出了一種集中心載荷布局、柔性包覆夾爪與被動載荷引導于一體的高性能飛行平臺，顯著提升了多旋翼在載荷控制、任務適應性與作業效率方面的綜合能力。

中空四旋翼設計

研究團隊提出的Center-less Quadrotor打破傳統“中心-軸臂”布局，采用四旋翼框架圍繞中空載荷艙設計，將載荷直接置于無人機中心。

圖片來源：Yu Herng Tan等，《The International Journal of Robotics Research》（2025），論文“A Center-less Quadrotor Design with a Soft Enveloping Grasper for Aerial Grasping and Delivery Tasks”。

優勢：
1. 保證載荷始終位于無人機重心附近；
2. 減少飛行時的姿態干擾，提升控制一致性；
3. 載荷通過上下通道可自如進出，支持多種作業模式；
4. 動力電池、飛控和電調分別固定在四角梁內，避免了傳統中心艙堆疊造成的散熱、布線與結構沖突。

柔性包覆夾爪

為兼容不同尺寸與材質的包裹，研究團隊在90mm中空貨倉內壁鋪設單腔體硅膠軟套，利用機載氣泵充氣驅動實現全包覆抓取。測試表明，夾爪最大可夾持500g物體，可靠承載高達自重60%的負載。具有如下特點：1. 環形硅膠夾持層，內置氣腔，通氣后向內膨脹包覆目標平均9.8s充滿、5.8s泄氣復位；2. 高適應性：可適應多種尺寸與形狀的物體；3. 高安全性：軟材料減小對物體的擠壓力，適合抓取易碎物。

圖片來源：Yu Herng Tan等，《The International Journal of Robotics Research》（2025），論文“A Center-less Quadrotor Design with a Soft Enveloping Grasper for Aerial Grasping and Delivery Tasks”。

被動載荷引導系統（PPP）

針對抓取時無人機定位誤差的問題，團隊創新性地設計了被動載荷引導系統，在機體下方集成了一個PTFE伸縮環：

• 飛行階段環直徑保持約210mm，形成遠大于抓手的捕獲窗口；觸地瞬間導向環受壓沿滑軌回縮，直徑約為80mm，將包裹順勢推入位于機身中心的柔性抓手；
• 無需電機或傳感器，結構輕量，使有效捕獲面積擴大約6.9 倍，顯著放寬無人機降落定位精度要求并提升自主抓取成功率。

圖片來源：Yu Herng Tan等，《The International Journal of Robotics Research》（2025），論文“A Center-less Quadrotor Design with a Soft Enveloping Grasper for Aerial Grasping and Delivery Tasks”。

03 實驗測試

多物體“抓-運-投”演示

無人機搭載柔性夾爪，完成了多種典型物體的抓取飛行測試，目標包括：飲料罐、玻璃杯、軟包裝盒、異形玩具。此外，系統還支持空中倒掛抓取、垂直柱體停靠等擴展功能，具備良好的實用性與拓展潛力。

• 抓取-起飛成功率100%

• 運輸過程中滾/俯仰姿態均方誤差保持 ≤ 0.6 °

• 釋放點水平誤差<5 cm

圖片來源：Yu Herng Tan等，《The International Journal of Robotics Research》（2025），論文“A Center-less Quadrotor Design with a Soft Enveloping Grasper for Aerial Grasping and Delivery Tasks”。

被動載荷引導測試

團隊測試了被動載荷引導系統（PPP）在自主降落過程中的引導效果。

測試場景

• 無人機降落至目標物體上方，PPP展開后引導物體進入夾爪區域。

• 通過地面反作用力，環形引導器自動收縮，將物體準確送入抓取范圍。

測試結果

• 導向環將捕獲面積擴大約6.9倍，顯著放寬降落定位誤差。

• 無需電機或傳感器，可在一定程度上減輕對高精度環境感知與控制的依賴。

圖片來源：Yu Herng Tan等，《The International Journal of Robotics Research》（2025），論文“A Center-less Quadrotor Design with a Soft Enveloping Grasper for Aerial Grasping and Delivery Tasks”。

資源速遞
論文鏈接：https://journals.sagepub.com/doi/10.1177/02783649251339772
文章內容僅用于學術交流與技術分享，圖文資料版權歸原作者及期刊所有，如有侵權請聯系刪除。

如果您有感興趣的技術話題，請在留言區告訴我們！關注阿木實驗室，更多技術干貨不斷更新！
開發遇到棘手難題可以上阿木官方論壇：bbs.amovlab.com
有工程師親自解答10000+無人機開發者和你共同進步！