在城市配送、应急物资投放和仓储拣选等场景，人们期待无人机能够独立完成“取-运-投”全流程。然而主流多旋翼通常采用下挂式夹爪或机械臂，包裹悬在机体下方，带来重心下移、转动惯量增加等问题。为突破这一结构瓶颈，清华大学机械工程系赵慧婵副教授团队（Soft Robotics Lab），于今年5月在机器人顶刊The International Journal of Robotics Research 发表论文 “A Center-less Quadrotor Design with a Soft Enveloping Grasper for Aerial Grasping and Delivery Tasks”。论文提出 “中空四旋翼 + 柔性包覆抓手” 架构，通过将机身中央镂空为货仓并在内壁嵌入可充气硅胶抓手，使质心保持在螺旋桨平面，兼顾稳定飞行与高效抓取，为末端物流提供了一种紧凑、稳健的新方案。

视频来源:https://www.youtube.com/watch?v=qKxT7bOusKE

01 研究背景

目前，主流的空中抓取系统多采用以下两种思路：
1. 悬挂式机械臂/夹爪：
常见于空中操作研究，夹爪安装于无人机底部，抓取动作会导致重心偏移，飞控稳定性下降，且操控复杂。
2. 特种抓取机构
磁吸、吸盘、柔性夹爪等方案在特定目标上成功率高，但对包裹材质和尺寸依赖强，通用性与载重受限。

同时，传统多旋翼中央舱被飞控、电池等设备占据，货物只能悬挂，进一步放大质心变化并依赖人工或固定基站装卸。

• 质心与惯量剧变，削弱姿态稳定性

• 抓取机构-飞控耦合复杂，控制难度高

• 高度依赖人工/基站，难以真正实现端到端自主投递

02 技术亮点

本研究围绕无人机空中抓取与投递过程中的质心控制、抓取适应性与降落容差三大核心难点，提出了一种集中心载荷布局、柔性包覆夹爪与被动载荷引导于一体的高性能飞行平台，显著提升了多旋翼在载荷控制、任务适应性与作业效率方面的综合能力。

中空四旋翼设计

研究团队提出的Center-less Quadrotor打破传统“中心-轴臂”布局，采用四旋翼框架围绕中空载荷舱设计，将载荷直接置于无人机中心。

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

优势：
1. 保证载荷始终位于无人机重心附近；
2. 减少飞行时的姿态干扰，提升控制一致性；
3. 载荷通过上下通道可自如进出，支持多种作业模式；
4. 动力电池、飞控和电调分别固定在四角梁内，避免了传统中心舱堆叠造成的散热、布线与结构冲突。

柔性包覆夹爪

为兼容不同尺寸与材质的包裹，研究团队在90mm中空货仓内壁铺设单腔体硅胶软套，利用机载气泵充气驱动实现全包覆抓取。测试表明，夹爪最大可夹持500g物体，可靠承载高达自重60%的负载。具有如下特点：1. 环形硅胶夹持层，内置气腔，通气后向内膨胀包覆目标平均9.8s充满、5.8s泄气复位；2. 高适应性：可适应多种尺寸与形状的物体；3. 高安全性：软材料减小对物体的挤压力，适合抓取易碎物。

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

被动载荷引导系统（PPP）

针对抓取时无人机定位误差的问题，团队创新性地设计了被动载荷引导系统，在机体下方集成了一个PTFE伸缩环：

• 飞行阶段环直径保持约210mm，形成远大于抓手的捕获窗口；触地瞬间导向环受压沿滑轨回缩，直径约为80mm，将包裹顺势推入位于机身中心的柔性抓手；
• 无需电机或传感器，结构轻量，使有效捕获面积扩大约6.9 倍，显著放宽无人机降落定位精度要求并提升自主抓取成功率。

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

03 实验测试

多物体“抓-运-投”演示

无人机搭载柔性夹爪，完成了多种典型物体的抓取飞行测试，目标包括：饮料罐、玻璃杯、软包装盒、异形玩具。此外，系统还支持空中倒挂抓取、垂直柱体停靠等扩展功能，具备良好的实用性与拓展潜力。

• 抓取-起飞成功率100%

• 运输过程中滚/俯仰姿态均方误差保持 ≤ 0.6 °

• 释放点水平误差<5 cm

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

被动载荷引导测试

团队测试了被动载荷引导系统（PPP）在自主降落过程中的引导效果。

测试场景

• 无人机降落至目标物体上方，PPP展开后引导物体进入夹爪区域。

• 通过地面反作用力，环形引导器自动收缩，将物体准确送入抓取范围。

测试结果

• 导向环将捕获面积扩大约6.9倍，显著放宽降落定位误差。

• 无需电机或传感器，可在一定程度上减轻对高精度环境感知与控制的依赖。

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

资源速递
论文链接：https://journals.sagepub.com/doi/10.1177/02783649251339772
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