Haptic-OmniQuad 触觉遥操作全向无人机平台

本项目完整开源一套面向空中物理交互（APhI）的一体化遥操作系统，包含六自由度全向微型飞行器 OmniQuad 与 4 自由度力反馈遥控手柄 Haptic RC 全套硬件 CAD 图纸与配套控制代码。

Haptic-OmniQuad 触觉遥操作全向无人机平台封面
oshw_hqzl2026-06-25 16:39:05BSD License
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设计文件

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详细介绍

一、项目概述

本项目全称带 4 自由度力反馈操纵杆的全向空中机器人设计与控制系统，是一套面向空中物理交互（Aerial Physical Interaction, APhI）的完整开源软硬件一体化实验平台，对应配套学术论文《Design and Control of an Omnidirectional Aerial Robot with 4DoF Haptic Joystick for Physical Interaction》，完整开源仓库为 Haptic-OmniQuad。

平台由两大核心硬件单元组成：OmniQuad 六自由度全向微型飞行器（OMAV）、Haptic RC 四自由度力反馈遥控手柄，配套 PX4 定制飞控、双向力觉遥操作控制算法与全套机械 CAD 图纸。项目核心初衷是解决当前空中物理交互领域两大行业痛点：传统全向飞行器结构复杂、搭建与维护成本高、实验难以复现；常规无人机遥控器无触觉反馈，操作员无法感知飞行器与环境的接触作用力，极大限制远程接触式作业、人机交互算法的落地验证。

整套平台所有机械图纸、底层控制代码、飞控适配程序全部开源共享，可独立加工、3D 打印复刻，两个硬件单元既可以拆分单独使用，也可组合搭建完整触觉遥操作闭环系统，为高校、科研机构提供低成本、标准化、可复现的空中机器人研究载体。

二、核心硬件模块详解

1. OmniQuad 全向微型飞行器（OMAV）

普通多旋翼无人机仅能通过倾斜机身实现平移，无法在保持姿态不变的前提下完成横向、纵向、垂直多维度接触作业；而 OmniQuad 属于全向驱动飞行器，具备完整 6 自由度运动能力，机身无需偏转即可完成任意方向的推力输出，是开展空中物理接触、抓取、推动、检测作业的理想载体。

  1. 结构优化设计

    针对传统全向飞行器零件繁多、重量大、维护繁琐的缺陷，项目精简机架、动力模组结构，减少零部件数量，在保证 6 自由度驱动能力的前提下降低整机自重，提升续航与负载冗余，简化拆装、检修流程。

  2. 飞控系统适配

    搭载定制改造的 PX4-Omniquad 飞控，内置专用全向动力分配算法，支持机身六维力、力矩实时采集，可精准识别飞行器与障碍物、作业对象之间的接触作用力，为触觉反馈提供原始力数据。

  3. 硬件开源资源

    仓库开放整机机架、电机安装座、防护结构、载荷安装平台全套三维 CAD 模型，支持 3D 打印、数控加工自主生产，配套物料清单、装配工艺说明。

2. Haptic RC 4 自由度力反馈遥控手柄

区别于实验室专用大型力反馈设备，本手柄沿用传统无人机遥控器握持造型，学习门槛低，是首款适配小型全向飞行器的轻量化 4DoF 触觉操纵设备，实现双向遥操作通信：

  1. 正向控制链路：操作员扳动摇杆输出飞行姿态、位移控制指令，无线下发至 OmniQuad 飞行器；

  2. 反向反馈链路：飞行器实时采集机身接触力数据，回传至手柄内部驱动机构，通过摇杆阻力、回弹震动模拟真实接触触感，让操作员远程感知飞行器碰撞、挤压、负载受力状态；

  3. 硬件开源资源

    完整开放手柄外壳、内部传动结构、电机驱动模组 CAD 图纸，配套驱动控制源码，可自主修改反馈力度、响应速度，适配不同场景的交互需求。

三、核心技术原理与系统闭环逻辑

整套平台构建力觉双向遥操作闭环系统，完整工作流程如下：

  1. 操作员手持 Haptic RC 手柄输入飞行控制指令，无线传输至 OmniQuad 机载飞控；

  2. PX4 飞控解析指令，通过全向动力算法分配各电机转速，控制飞行器完成对应运动；

  3. 飞行器机身搭载力感知模块，实时检测机身与外界环境产生的接触力、碰撞力矩；

  4. 力数据通过无线链路回传至地面端手柄控制器；

  5. 手柄驱动机构根据受力数值实时输出对应阻力，将空中接触状态转化为触觉信号传递给操作员；

  6. 操作员根据触觉反馈调整操纵动作，形成 “操控 - 飞行 - 受力感知 - 再操控” 的完整闭环。

该闭环解决了传统纯视觉遥控的信息缺失问题：仅依靠摄像头画面难以精准判断接触力度，触觉反馈可大幅提升远程物理作业的操作精度与安全性。

四、项目核心创新点

  1. 轻量化标准化全向飞行器开源方案

    现有六自由度全向飞行器方案结构复杂、定制化程度高，复刻难度大；本项目简化机械构型，全套图纸开源，中小科研团队无需高额加工成本即可搭建实验平台，提升空中交互实验的可复现性。

  2. 消费级外形四自由度触觉遥控一体化配套

    以往力反馈设备多为大型工业机械臂，不匹配无人机操控习惯；本手柄采用常规遥控器造型，兼顾便携性与 4 维度力觉反馈，适配无人机操作人员使用习惯。

  3. 软硬件完整配套的端到端遥操作系统

    多数同类项目仅单独开源飞行器或单独开源力反馈设备，本项目同时开放飞行器、手柄两套硬件设计与双向通信控制代码，开箱即可搭建完整触觉遥操作实验环境。

  4. 适配微型空中机器人的轻量化力觉交互架构

    针对小型 OMAV 飞行器算力、负载有限的特点优化力感知与数据传输算法，低延迟完成力信号采集与反馈，兼顾实时性与设备轻量化需求。

五、仓库资源构成

开源仓库完整提供两类核心机械设计资源与配套工程代码，同时包含子模块、配套资料：

  1. OMAV platform CAD resources：OmniQuad 全向无人机整机全套三维建模文件，含机架、动力座、防护件、载荷安装结构；

  2. Haptic-RC CAD resources：力反馈遥控手柄外壳、内部传动、驱动安装结构全套三维图纸；

  3. 代码子模块：

    • Haptic_RC：手柄底层驱动、力反馈控制程序；

    • OmniQuad：PX4 飞控适配程序、全向动力分配算法、无线通信代码；

  4. assets 文件夹：装配示意图、实验实测效果图、物料清单、论文原文、操作调试文档；

  5. 开源协议：采用 BSD 3-Clause 开源协议，允许学术研究、二次开发、商用改造，仅需保留原始版权声明。

六、应用场景与研究价值

1. 科研学术场景

  • 空中物理交互（APhI）算法验证：飞行器抓取、推动、接触检测等接触式作业控制算法开发；

  • 人机触觉遥操作研究：力觉反馈对远程操控精度、作业安全性的影响对比实验；

  • 六自由度全向机器人控制理论：动力分配、姿态解耦、抗干扰控制算法验证平台；

  • 微型空中机器人轻量化结构设计、低延迟无线通信相关课题研究。

2. 工程落地场景

  • 远程空中检修：电力、桥梁高空巡检维修，操作员通过触觉感知飞行器与构件接触力度，避免碰撞损伤设备；

  • 柔性空中抓取作业：易碎物品、精密构件远程抓取，依靠触觉反馈控制夹持力度；

  • 危险环境远程作业：化工、辐射、高空高危场景，操作员远离危险区域，通过触觉感知现场交互状态。

3. 教学科普场景

高校机器人、自动化、航空工程专业教学实验平台，学生可自主完成机械建模、飞控调试、力反馈交互全套开发流程，直观学习多旋翼动力学、人机遥操作相关理论。

七、项目优势总结

  1. 低成本易复刻：全部硬件图纸开源，支持 3D 打印加工，大幅降低全向飞行器与力反馈设备的搭建门槛；

  2. 完整双向触觉闭环：实现飞行器与操作员之间力信号双向传输，弥补纯视觉遥控的感知短板；

  3. 模块化可拆分使用：飞行器、手柄两套硬件可独立开展单项实验，也可组合搭建完整遥操作系统；

  4. 开放无壁垒：宽松 BSD 开源协议，支持学术研究、商用二次开发，无严格开源约束；

  5. 轻量化易维护：精简机械结构，降低飞行器自重，减少故障点，简化日常调试与维修工作。

八、License

BSD-3-Clause license

九、项目地址

https://github.com/omniquad-research/Haptic-OmniQuad