ADRR 树间机动与枝上栖息兼备的空中机器人：TreeSpider 树冠探索新方案。
研究背景
森林树冠层是开展生物多样性调查、微环境观测与生态过程研究的重要空间，但其结构复杂、枝叶密集、可达性差，长期以来一直是环境监测中的难点区域。近年来，无人机与空中机器人在生态监测中的应用快速发展，为树冠观测提供了新的技术手段。然而，现有平台大多依赖自由飞行完成数据获取，在枝条密集、空间受限的树冠内部环境中，仍面临机动性不足、续航受限、环境扰动较大以及难以实施稳定接触式操作等问题。为应对上述挑战，本文提出了一种面向树冠探索与生态监测的新型机器人平台 -TreeSpider。该系统通过将系绳栖息机制、环形解耦结构、柔顺攀附机械臂以及叶片采样工具集成于同一空中平台，实现了在树冠内部的稳定停靠、局部运动控制与初步物理采样，为树冠原位监测提供了新的技术路径。
文章概述
TreeSpider 是一种基于系绳的模块化空中机器人系统，其核心设计理念是通过将无人机锚定于树枝，借助外部支撑替代部分悬停需求，从而实现更高效、更稳定、对环境扰动更小的树冠内作业。系统采用环形机构实现系绳与机体运动解耦，使平台在锚定后仍具备一定的姿态与方向调节能力；机体下方集成的柔顺机械臂可执行树枝抓附与再次停靠；同时，平台还搭载了用于生态任务验证的叶片采样装置。
围绕该系统，我们开展了较为完整的研究工作，包括：
1） 面向树冠场景的系统总体设计；
2） 系绳约束下的平台动力学建模与分析；
3） 静态与动态控制方法设计；
4） 抓附保持性能、能耗与噪声特性实验评估；
5） 室内与室外场景下的任务验证。
研究结果表明，TreeSpider 能够在树冠环境中实现稳定停靠、受控运动与轻量级接触式操作，展现出在森林生态监测中的潜在应用价值。
图文导读
1. 树冠探索新思路：从自由飞行到附着式作业
本文首先提出了一种不同于传统树冠无人机的技术路线。相比依赖持续悬停完成观测的方式，TreeSpider 通过系绳锚定于树枝，将树冠中的自然结构转化为可利用支撑点，使机器人能够在复杂环境中保持稳定工作状态。这一思路有助于缓解高能耗、强噪声和持续姿态控制压力等问题，为长时间原位作业创造条件。
图1
2. 环形系绳机构提升锚定后的机动能力
TreeSpider 的关键创新之一在于其环形系绳机构。该结构使系绳对机体姿态和运动的限制得到一定程度缓解，从而提升了平台在锚定状态下的灵活性。论文表明，该设计支持无人机以不同角度接近枝条，并在锚定后进行局部姿态调整和方向控制。这一结构设计为树冠内部多方向接近、多次停靠及局部巡检提供了机械基础。
3. 柔顺攀附机臂支持树枝交互
为增强系统与树冠结构的物理交互能力，作者在平台底部设计了变形线驱动无人机机臂。机臂采用仿生抓附思路，能够顺应枝条几何形态进行包覆和抓握，增强接触稳定性。实验结果显示，系统在不同枝条直径和拉拽条件下具备较好的保持能力，最大保持力达到 10 N。这一结果说明，TreeSpider 不仅能够靠近树枝，还具备一定程度的依附和保持能力，为稳定感知和采样操作提供了支持。
图2
4. 面向生态应用的叶片采样验证
除停靠和抓附外，论文还引入了叶片采样工具，用于验证该平台在生态监测任务中的实用潜力。该装置能够对目标叶片进行切割与夹持，实现树冠内部样本的初步获取。尽管该采样系统仍以原型验证为主，但其展示了 TreeSpider 从移动平台向作业平台扩展的能力，也体现了空中机器人在树冠原位采样方面的应用前景。
5. 动力学建模揭示节能机制
针对系绳约束下的平台运动特性，作者建立了相应动力学模型，并分析了不同系绳角度下的推力需求与系统行为。研究表明，在适当工况下，系绳可承担部分重力分量，从而降低无人机推进系统的负担。实验结果进一步验证，TreeSpider 在停靠状态下可实现显著节能，能耗相较自由悬停最高可降低约 2.5 倍。这一结果对需要长时间驻留的树冠监测任务具有直接意义。
6. 低噪声特性有利于生态监测
在环境监测场景中，平台产生的声学扰动可能影响野生动物活动，并干扰观测结果。本文通过噪声测试指出，由于系绳停靠减少了对高推力悬停的依赖，TreeSpider 在作业过程中可降低推进器转速，从而减小整体噪声输出。该特性使其更适用于对环境扰动敏感的树冠生态场景。
7. 专用控制架构实现稳定停靠与动态运动
针对系绳约束平台的非典型动力学特征，设计了相应控制方法，包括系绳角度估计、静态控制和动态控制。静态控制用于维持目标停靠姿态和角度，动态控制则支持平台围绕锚点执行圆周轨迹运动。室内实验结果表明，所提出控制框架可较好完成参考角度跟踪与局部轨迹控制，验证了该平台在锚定状态下进行受控运动的可行性。
8. 室外实验验证真实场景可行性
在室外树冠环境测试中，TreeSpider 展示了从接近目标树枝、完成系绳停靠、机械臂抓附，到释放与脱离的完整任务流程。结果表明，系统能够在自然环境中较稳定地执行停靠和操控任务，并在停靠阶段显著降低功耗。叶片采样功能的初步实验也说明，该平台具备进一步服务于真实生态采样任务的潜力。
结论
本文提出的 TreeSpider 平台，展示了一种面向树冠生态监测的空中机器人新范式。与传统以自由飞行为主的树冠监测平台相比，TreeSpider 通过结合系绳栖息、机臂攀附和轻量级采样，实现了更稳定、更节能、扰动更低的树冠内作业方式。
总体而言，TreeSpider 将空中机器人从树冠外部观察工具进一步推进为树冠内部作业平台，在空中机器人和生态监测交叉领域具有较强的探索意义和应用前景。
论文信息
Article title: TreeSpider: In-Canopy Exploration With Tether-Based Aerial Modular Arms
Luca Romanello, Tian Lan, Salaheldin Hassan, Maximilian Leutschafft, Erdem Ekinci, Sophie F. Armanini, Mirko Kovac, Basaran Bahadir Kocer
Advanced Robotics Research
DOI:10.1002/adrr.202500111
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adrr.202500111
期刊介绍
Advanced Robotics Research涵盖了各种大小、形状和形式的机器人，包括仿人系统、自动驾驶车辆、无人机、多机器人系统、群体机器人、软体和仿生机器人、微纳机器人、大型工业机器人等。
期刊主页:
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/journal/29439973
来源：Advanced Robotics Research
