西湖大学工学院赵世钰团队成功开发出一种名为“飞行工具箱”的新型空中作业机器人系统。该系统巧妙结合了多旋翼无人机与高自由度机械臂，在国际上首次实现了竖叠飞行条件下的亚厘米级精度空中工具交换和操作任务。这项突破性技术克服了传统认知中无人机近距离竖叠飞行的安全隐患，为无人机在空中协同作业提供了新的解决方案。其应用前景广阔，有望解锁空中换电、材料补给、高空清洁等复杂场景。团队已将相关代码和设计开源，以促进更广泛的科研合作与应用发展。
💡 **创新飞行工具箱系统**：西湖大学赵世钰团队研发的“飞行工具箱”（FlyingToolbox）系统，通过集成多旋翼无人机与高自由度机械臂，实现了在竖叠飞行条件下的亚厘米级精度空中工具交换和操作。该系统突破了无人机近距离竖叠飞行的常规认知，为解决无人机协同作业难题提供了创新方案。
🎯 **亚厘米级高精度对接**：该系统在对接精度上实现了显著提升，平均精度达到 0.80±0.33 厘米，相较于现有系统提升约一个数量级。这得益于其先进的控制算法，能够准确估计并补偿强风扰动，以及采用的柔性电磁对接机构，保证了在复杂环境下的稳定对接。
🚀 **广泛应用前景**：这项技术有望解锁多种需要紧密空中协同作业的场景，例如无人机空中换电、材料补给、喷涂作业以及高空建筑清洁等。通过模块化的设计，可以实现空中航母或空中加油机的功能，支持多无人机按序执行复杂任务。
🌐 **技术开源与合作**：为了推动该领域的研究和应用，研究团队已将“飞行工具箱”系统的相关代码和机械设计开源。此举旨在鼓励更多科研人员在此基础上进行开发，构建更复杂、更有趣的空中协同作业系统，加速技术落地和产业化进程。
刘雅坤 2025-10-02 16:19 天津
对接精度比现有系统提升约1个数量级。
近期，西湖大学工学院赵世钰团队开发了一种新型空中作业机器人系统——飞行工具箱（FlyingToolbox）。他们结合多旋翼无人机与高自由度机械臂，在国际上突破性地实现了竖叠飞行条件下，亚厘米级精度的空中工具交换和操作任务，为无人机近距飞行的操控难题提供了一种新的解决方案。（来源：西湖大学）
此前，无人机领域的大部分认识是：由于风扰等因素会造成安全隐患，无人机近距离竖叠飞行是危险且应该避免的。但是，该工作反其道而行之，突破了人们的常规认识，让“不可能”变成了“可能”。该技术有望解锁空中需要紧密配合作业的场景，例如无人机空中换电、材料补给、喷涂材料、高空建筑清洁等。目前，该团队已将技术的相关代码和机械设计开源，希望帮助更多科研人员在这项研究基础上，开发出更有趣、更复杂的空中协同作业系统。
图丨赵世钰教授团队（来源：西湖大学）近日，相关论文以《近距离竖叠无人机协同操作》（Proximal cooperative aerial manipulation with vertically stacked drones）为题发表在 Nature[1]。西湖大学副研究员曹华姿是第一作者，赵世钰担任通讯作者。
图丨相关论文（来源：Nature）
受蜂鸟采蜜灵感启发，让无人机也能空中精准对接当下，无人机多被用于空中拍摄以及载物或载人。而空中作业机器人除了具备六个自由度的刚体机身之外，还具有高自由度机械臂等结构，可执行空中作业任务。
但问题在于，单一机器人往往难以完成复杂的空中作业任务。在综合考虑成本、便捷性和安全性等因素后，研究团队决定使用多个小型的旋翼无人机，通过协作来完成复杂作业任务，而不是使用单个“巨无霸”无人机。这项研究源于赵世钰异想天开的一个想法。当时，他看到蜂鸟在空中对接花朵采蜜的行为：蜂鸟在空中飞行，花朵也一直在动，但蜂鸟却能很好地把嘴伸到花蕊中。受此启发，他提出，是不是无人机也可以做类似的空中对接呢？
对接精度比现有系统提升约 1 个数量级基于此，研究团队研发了一套 FlyingToolbox 系统，其核心模块包括控制算法、高自由度机械臂和工具箱。
（来源：西湖大学）赵世钰对 DeepTech 解释说道：“这里机械臂的作用是将工具‘拿’出来或者‘放’回去。我们还可以引入更多无人机，这种工具箱的作用类似于空中航母或空中加油机。它可在空中悬停，然后不同的无人机可按序飞来选取不同的工具，来完成长序列、多场景的复杂的任务。”该系统实现了亚厘米级的空中精度对接，这背后离不开研究团队陆续解决一系列技术和工程挑战。图丨 FlyingToolbox 系统的组成（来源：Nature）
首先，当两个无人机距离很近（约 0.6 米-1 米）时，上方无人机会在下方产生 13.18 米/秒的气流干扰，此时想实现下方的无人机“纹丝不动”是非常困难的。为解决该问题，研究人员设计了一种算法，通过多层感知机和高斯模型准确估计强风对下方无人机的扰动，并将这种扰动补偿到对其控制中，为对接的稳定性提供了保障。另一方面，为实现对接成功和准确，他们还设计了一种柔性电磁对接机构，让两架无人机在即便位姿不太一致情况下，也能稳定对接。
图丨柔性电磁对接机构的结构和原理（来源：西湖大学）赵世钰指出，这是一项全新的系统，我们并没有太多的经验可参考，只能摸着石头过河。整个系统也是我们在不断摸索中研发出来的，团队在技术、工程方面做了大量工作。与此同时，研究人员将对接精度与现有的系统进行了对比，相较于现有系统，该系统在精度方面实现了显著提升。例如，在一个现有类似的工作中，上方无人机下部有吊环，下方无人机上部有钩子，它们的任务是让钩子准确地挂在环上。但由于其没有机械臂补偿，也不是对接的情况，它的精度仅在 6-8 厘米左右。图丨各种操作工具（来源：Nature）
该研究中 20 次连续对接实验的结果显示，FlyingToolbox 实现了平均 0.80±0.33 厘米的高精度对接。“这相当于在六级强风下，我们的空中作业机器人仍能实现稳定对接，精度比现有系统提升了约 1 个数量级。
”赵世钰表示。
终将科幻的想象变为现实西湖大学智能无人系统实验室（WINDY Lab）的主要研究方向包括群体智能和空中作业机器人。群体智能主要聚焦于机器人之间如何协调的问题；而空中作业机器人则横跨低空经济和具身智能两大领域。
“在我们近三年的科研攻关过程中，我们克服了太多的困难。在我看来这个研究如果失败是很正常的，而获得成功是偶然的。”赵世钰不禁感慨道。
图丨机械臂与末端工具的对接过程（来源：Nature）
转折发生在 2023 年底，研究团队在经历无数次失败和反复调整后，第一次实现对接成功。当时，赵世钰在实验室的微信群中留言：“我们终于把科幻的想象变成了现实。”后来，又经过近一年的优化和打磨才完成了投稿，成果最终登上了 Nature。
“尽管目前无人机的产业化已比较多，但空中作业机器人的产业化相对较少，我们的研究也为相关产业打了一针‘强心剂’。”赵世钰表示。据了解，该团队有产业化的计划，他们希望将空中作业机器人技术在工业界落地。在接下来的研究阶段，该团队将同时推进“向上”和“向下”两个方面。具体而言，“向上”更偏向于科研，他们以打造更敏捷、更稳定、更高精度，执行更多样操作的机器人为目标；“向下”是推动技术落地，旨在以满足用户需求为导向，实现更好的落地。
参考资料：1.Cao, H., Shen, J., Zhang, Y., Fu,Z., Liu,C., Sun,S., Zhao,S. Proximal cooperative aerial manipulation with vertically stacked drones. Nature (2025).
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