FAM-DQ: A Dual-Quadrotor-Based Fully Actuated Aerial Manipulator for High-Torque Interaction

📄 arXiv: 2608.13220v1 📥 PDF

作者: Xuwei Yang, Ruoyu Ren, Ziqian Guo

分类: cs.RO

发布日期: 2026-08-13

备注: 7 pages, 7 figures

💡 一句话要点

提出FAM-DQ以解决高扭矩空中操控问题

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 空中操控 高扭矩 双四旋翼 全驱动 物理交互 机器人技术 无人机

📋 核心要点

  1. 现有的欠驱动空中操控器在位置与姿态控制上存在强耦合，限制了其在高扭矩交互任务中的表现。
  2. FAM-DQ通过双四旋翼设计和被动关节，结合齿轮驱动伺服，实现了6自由度的解耦控制，增强了操控能力。
  3. 实验表明，FAM-DQ在静态扭矩测量和轨迹跟踪中表现优异，最大扭矩达到1.019牛·米，展现出良好的性能提升。

📝 摘要（中文）

空中物理交互要求操控平台在保持精确末端执行器控制的同时，产生较大的交互力和扭矩。然而，传统的欠驱动空中操控器存在位置与姿态耦合强的问题，而全驱动平台设计则常面临结构复杂、有效载荷能力有限和扭矩输出不足等挑战。本文提出了FAM-DQ，一种基于双四旋翼的全驱动空中操控器，旨在高扭矩物理交互任务中表现出色。通过将两个四旋翼推进模块通过被动关节安装在中央框架的两端，并使用齿轮驱动伺服来调节指向方向，FAM-DQ实现了解耦的6自由度末端执行器控制，具备全向操控能力和增强的扭矩输出。实验结果验证了该设计的有效性，FAM-DQ在总质量为0.447千克的情况下，最大扭矩可达1.019牛·米，扭矩与质量比为2.28牛·米/千克。

🔬 方法详解

问题定义：本文旨在解决传统空中操控器在高扭矩物理交互任务中的不足，尤其是位置与姿态耦合强、扭矩输出不足等问题。

核心思路：FAM-DQ通过双四旋翼设计与被动关节的结合，提供了全驱动的操控能力，能够在高扭矩任务中保持精确控制。

技术框架：FAM-DQ的整体架构包括中央框架、两个四旋翼推进模块和齿轮驱动伺服。四旋翼模块负责提供动力，而伺服则调节末端执行器的指向。

关键创新：FAM-DQ的主要创新在于其双四旋翼配置与被动关节的结合，使得6自由度的解耦控制成为可能，显著提升了操控的灵活性和扭矩输出。

关键设计：在设计中，FAM-DQ的总质量为0.447千克，最大扭矩达到1.019牛·米，扭矩与质量比为2.28牛·米/千克，这些参数设置确保了其在高扭矩任务中的有效性。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

FAM-DQ在实验中表现出色，最大扭矩达到1.019牛·米，扭矩与质量比为2.28牛·米/千克，显著优于传统空中操控器。这些结果表明其在高扭矩物理交互任务中的有效性和可靠性。

🎯 应用场景

FAM-DQ的设计具有广泛的应用潜力，尤其在需要高扭矩和精确操控的领域，如无人机搬运、建筑施工和灾后救援等场景。其全向操控能力和高效的扭矩输出将为这些应用提供更强的支持，推动相关技术的发展。

📄 摘要（原文）

Aerial physical interaction requires aerial manipulation platforms to generate large interaction forces and torques while maintaining precise end-effector control. However, conventional underactuated aerial manipulators suffer from strong position-attitude coupling, whereas fully actuated platform designs often face structural complexity, limited payload capacity, and insufficient torque output. This paper presents FAM-DQ, a dual-quadrotor based fully actuated aerial manipulator designed for high-torque physical interaction tasks. By mounting two quadrotor propulsion modules at the ends of a central frame through passive joints, while using a gear-driven servo to regulate the pointing direction, FAM-DQ achieves decoupled $6$-DoF end-effector control with omnidirectional manipulation capability and enhanced torque output. Experiments including trajectory tracking, attitude tracking, static torque measurement, and screw driving validate the proposed design. FAM-DQ achieves a maximum torque of $1.019~\mathrm{N}\cdot\mathrm{m}$ with a total mass of $0.447~\mathrm{kg}$, corresponding to a torque-to-mass ratio of $2.28~\mathrm{N}\cdot\mathrm{m/kg}$.