航天員與類人機(jī)器人月面聯(lián)合探測概念初步研究

李海陽，張 波，黃海兵

(國防科技大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙，410073)

1 引言

自上世紀(jì)50年代以來，月球探測一直是人類航天活動的重點領(lǐng)域［1-3］。1969年，美國航天員阿姆斯特朗乘“阿波羅”飛船首次登陸月球，實現(xiàn)了人類歷史上的首次載人登月探測。然而，限于當(dāng)時機(jī)器人技術(shù)水平，阿波羅計劃僅采用航天員與月球車聯(lián)合的方式進(jìn)行探測，探測任務(wù)和范圍都很有限。美國在總結(jié)阿波羅計劃的經(jīng)驗教訓(xùn)時提出:能協(xié)助航天員進(jìn)行精細(xì)操作等任務(wù)的機(jī)器人系統(tǒng)在載人登月任務(wù)中很有必要［4］。如今，機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)有了長足的進(jìn)步，基于當(dāng)前的發(fā)展速度，可以預(yù)見未來將具備航天員、機(jī)器人和月球車等多元素月面聯(lián)合探測的條件。

載人登月任務(wù)月面停留時間有一定的限制，阿波羅為1-4天不等，在登月期間航天員出艙執(zhí)行月面時間，此外還會面臨輻射、極端溫度、月塵等可能會對其生命安全產(chǎn)生威脅的情況，為了能夠提高航天員在月面執(zhí)行任務(wù)的效率，發(fā)送類人機(jī)器人至月面聯(lián)合航天員完成月面任務(wù)會大大提高探測效率。在月面人機(jī)聯(lián)合探測任務(wù)中，采用類人機(jī)器人與航天員搭配的模式原因在于，首先，類人機(jī)器人可以使用與航天員相同的探測工具，從而避免了為機(jī)器人準(zhǔn)備額外工具的負(fù)擔(dān)，其次，類人機(jī)器人相對于步履機(jī)器人在月面行走更具優(yōu)勢，再次，類人機(jī)器人具有類似人的外形，從形態(tài)和功能上均是人類實施登月和探測的最佳代理，而且能夠讓航天員在心理上產(chǎn)生被陪伴的感覺，最后，類人機(jī)器人的研究設(shè)計到多個學(xué)科，通過發(fā)送類人機(jī)器人到達(dá)月面執(zhí)行任務(wù)，可以促進(jìn)我國機(jī)器人相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。國外對類人機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)開展了很多研究，以美國為代表，其研制的新一代機(jī)器人航天員R2(Robonaut 2)，如圖1左所示，于2011年2月搭載發(fā)現(xiàn)號航天飛機(jī)到達(dá)國際空間站，成為人類歷史上首位上天的人形機(jī)器人［5］;由波士頓動力公司研制的Petman是一種兩足步行類人機(jī)器人，如圖1右所示，其在無需外部支撐的情況下能自我保持平衡，像真人一樣四處活動，完成各種動作，即使受到?jīng)_擊也能保持直立，步行速度達(dá)到了 7.1 km/h［6］。

圖1 類人機(jī)器人(R2，Petman)Fig.1 Humanoid robot(R2，Petman)

國內(nèi)研制類人機(jī)器人技術(shù)成果比較突出的有北京理工大學(xué)、中國科學(xué)院自動化研究所、清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和國防科技大學(xué)等［7-8］。其中國防科技大學(xué)研制成功的第五代類人機(jī)器人KDW-5，高約160 cm，重74 kg，具有30個自由度，實現(xiàn)了全景視覺和雙目視覺對乒乓球的準(zhǔn)確定位與預(yù)測，以及靈巧手臂的接球［7］。

在月球表面，引力加速度只有地球表面的1/6，航天員和類人機(jī)器人在月球表面進(jìn)行探測需要面臨月球的重力環(huán)境。為了能夠在地面進(jìn)行類人機(jī)器人的月面運動特性研究，需要提供重力模擬環(huán)境，現(xiàn)有的在地面重力環(huán)境的模擬手段主要包括利用重力加速度和利用平衡力抵消兩種方式［9］，其中，利用重力加速度方式又包括落塔法和拋物飛行法，利用平衡力抵消又包括水浮法和吊絲配重法和氣浮平臺/氣浮軸承法。落塔法和拋物線飛行方法時間過短、空間有限，氣浮和水浮方法對類人機(jī)器人的研究也不適用。懸吊技術(shù)可以把類人機(jī)器人吊起來，通過拉力調(diào)節(jié)平衡掉5/6的重量，用以模擬月面重力環(huán)境，可以開展類人機(jī)器人的月面行走地面驗證實驗。

在人與機(jī)器人共同執(zhí)行任務(wù)中，人與機(jī)器之間的聯(lián)合技術(shù)是保障任務(wù)高效進(jìn)行的關(guān)鍵技術(shù)。人機(jī)聯(lián)合技術(shù)研究集中人與機(jī)器人在感知、決策以及執(zhí)行方面的有機(jī)結(jié)合問題上，通過對人與機(jī)器人特點的分析，研究人與機(jī)器人在任務(wù)中的參與關(guān)系。文獻(xiàn)［10-11］研究了人機(jī)聯(lián)合技術(shù)在機(jī)器人遙操作控制領(lǐng)域中的應(yīng)用，通過本地操作員與遠(yuǎn)端機(jī)器人之間的配合，克服時延影響，完成操作任務(wù);文獻(xiàn)［12］設(shè)計了一種無人機(jī)的觸覺共享控制系統(tǒng)，利用機(jī)器計算的控制力對操作員指令進(jìn)行輔助，實現(xiàn)無人機(jī)飛行過程中的碰撞規(guī)避;文獻(xiàn)［13-14］研究了人機(jī)協(xié)作的車輛駕駛智能輔助控制系統(tǒng);周前祥等采用實驗方法研究了最后接近段交會對接飛行器人機(jī)聯(lián)合的控制方法［15］。

本文對月面人機(jī)聯(lián)合探測技術(shù)的概念進(jìn)行了研究。首先設(shè)計了月面人機(jī)聯(lián)合探測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，然后分析了可能的探測模式，并進(jìn)行了探測任務(wù)規(guī)劃，最后，對月面人機(jī)聯(lián)合探測技術(shù)研究進(jìn)行了總結(jié)和展望。

2 月面人機(jī)聯(lián)合探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

月面人機(jī)聯(lián)合探測系統(tǒng)按照其組成可分為月面活動執(zhí)行子系統(tǒng)和月面活動支持子系統(tǒng)。系統(tǒng)組成關(guān)系如圖2所示。

圖2 月面人機(jī)聯(lián)合探測系統(tǒng)組成Fig.2 Composition of lunar human － robot synergy system structure

2.1 月面活動執(zhí)行子系統(tǒng)

月面活動執(zhí)行子系統(tǒng)由人服系統(tǒng)、類人機(jī)器人、月球車和探測設(shè)備組成。各部分的主要功能定義如下:

1)人服系統(tǒng)。即人-登月服系統(tǒng)，是月面人機(jī)聯(lián)合探測的核心，具備獨立月面出艙、自行月面行走、月面采樣、月球車駕駛，類人機(jī)器人控制等主要功能。

2)類人機(jī)器人。作為航天員月面探測的先遣者和配合者，具備在控制指令下完成獨立出艙、月面行走、月面采樣、月球車駕駛、能源補(bǔ)充等主要功能。

3)月球車。作為拓展航天員與類人機(jī)器人活動范圍的月面交通工具，具備在操作控制下完成駛離登月艙、月面負(fù)載行駛、月面越障、自主能源補(bǔ)給等主要功能。

4)探測設(shè)備。執(zhí)行月面探測任務(wù)所需的采樣工具包、實驗包、探測儀器和實驗儀器等。

2.2 月面活動支持子系統(tǒng)

月面活動支持子系統(tǒng)的各組成部分按空間位置可分為月面部分、環(huán)月部分和地球部分。各部分的主要功能定義如下:

1)著陸器。具有為航天員與類人機(jī)器人提供活動和安裝空間、提供出艙通道、提供信息中轉(zhuǎn)等功能，具有艙內(nèi)艙外攝像功能，為登月艙和月面活動提供視頻監(jiān)控。

2)能源站。為類人機(jī)器人進(jìn)行充電，安裝于月球車上，具備類人機(jī)器人能源移動補(bǔ)給功能。

3)軌道艙。在月面人機(jī)聯(lián)合探測任務(wù)中，載人飛船具備飛船內(nèi)航天員遙操作類人機(jī)器人行走和操作、類人機(jī)器人運動狀態(tài)接收與顯示、月面航天員與類人機(jī)器人信息中轉(zhuǎn)等主要功能。

4)深空測控網(wǎng)、通信站、中繼衛(wèi)星。其主要功能是為航天員、類人機(jī)器人、月球車等月面人機(jī)聯(lián)合探測系統(tǒng)的組成部分之間的提供通信導(dǎo)航保障。

5)地面控制中心。作為載人登月任務(wù)的地面控制中心與類人機(jī)器人的地面控制指令產(chǎn)生場所，地面控制中心主要功能包括對月面探測任務(wù)進(jìn)行監(jiān)視和決策，為類人機(jī)器人地面操作人員提供遙操作終端。

月面人機(jī)聯(lián)合探測系統(tǒng)功能示意如圖3所示。

圖3 月面人機(jī)聯(lián)合系統(tǒng)功能示意Fig.3 Function of lunar human － robot synergy system

3 月面人機(jī)聯(lián)合探測模式分析

為了發(fā)揮人機(jī)聯(lián)合探測優(yōu)勢，通常需要根據(jù)航天員、類人機(jī)器人與月球車各自的特點，以不同組合方式來開展人機(jī)聯(lián)合探測任務(wù)。根據(jù)探測任務(wù)中航天員、類人機(jī)器人以及月球車的不同配合方式，作者認(rèn)為可將月面人機(jī)聯(lián)合探測分為類人機(jī)器人遙操作模式、二元聯(lián)合探測模式和三元聯(lián)合探測模式。

3.1 類人機(jī)器人遙操作模式

類人機(jī)器人遙操作模式與交會對接的遙操作模式類似［16］，是指位于著陸器內(nèi)的航天員或位于地面操作中心的航天員通過遙操作方式，控制類人機(jī)器人在月面執(zhí)行探測任務(wù)。

著陸器內(nèi)的遙操作控制端作為人機(jī)交互的接口由遙操作區(qū)和監(jiān)視區(qū)組成［17］。遙操作區(qū)接收航天員的操作信號，轉(zhuǎn)化為控制指令后發(fā)送至類人機(jī)器人執(zhí)行;監(jiān)視區(qū)接收遠(yuǎn)端機(jī)器人的反饋信息并顯示，供航天員對現(xiàn)場任務(wù)環(huán)境進(jìn)行感知。地面操作中心的遙操作方式類似，只是需要在地面操作中心通過地月通信系統(tǒng)將指令和信號傳輸至月面類人機(jī)器人，通過指令與狀態(tài)的地月通信，地面遙操作類人機(jī)器人的延時效應(yīng)將進(jìn)一步加大［18］。

3.2 二元聯(lián)合探測模式

二元聯(lián)合探測模式是指航天員著登月服出艙，與類人機(jī)器人配合，在月面活動支持子系統(tǒng)的支持下，聯(lián)合開展月面探測活動。該模式主要執(zhí)行短距離范圍內(nèi)的月面探測任務(wù)，其主要工作流程為:

1)航天員執(zhí)行過閘程序，穿著登月服，設(shè)置類人機(jī)器人狀態(tài)，攜帶應(yīng)用載荷和工具等，完成月面活動的準(zhǔn)備;

2)航天員和類人機(jī)器人出艙，到達(dá)預(yù)定地點后聯(lián)合執(zhí)行操作任務(wù);

3)航天員和類人機(jī)器人完成任務(wù)后返回，安放采集樣品，對類人機(jī)器人進(jìn)行能源補(bǔ)充和狀態(tài)設(shè)置，之后執(zhí)行返回過閘程序，進(jìn)入艙內(nèi)。

工作流程示意如圖4所示。

圖4 二元聯(lián)合探測模式工作流程Fig.4 Procedure of two-element joint exploration mode

3.3 三元聯(lián)合探測模式

三元聯(lián)合探測模式是指航天員著登月服出艙，與類人機(jī)器人搭載月球車，在月面活動支持子系統(tǒng)的支持下，聯(lián)合開展月面探測活動。該模式除具備二元探測模式所包括的能力外，還具備較遠(yuǎn)距離范圍探測、多探測任務(wù)同時執(zhí)行、以及遠(yuǎn)程補(bǔ)給與救援能力，其主要工作流程為:

1)航天員執(zhí)行過閘程序，穿著登月服，設(shè)置類人機(jī)器人和月球車狀態(tài)，將應(yīng)用載荷和工具等安放在月球車上，完成月面活動的準(zhǔn)備;

2)航天員駕駛月球車，攜帶類人機(jī)器人執(zhí)行月面任務(wù);駕車過程中航天員通過臍帶優(yōu)先使用車上的消耗品;到達(dá)預(yù)定地點后聯(lián)合執(zhí)行操作任務(wù)，或放置機(jī)器人，航天員駕車前往另一地點執(zhí)行操作任務(wù)，此時機(jī)器人可通過遙操作模式實現(xiàn)控制;

3)航天員完成探測任務(wù)，駕車攜帶類人機(jī)器人返回，安放采集樣品，對類人機(jī)器人和月球車進(jìn)行能源補(bǔ)充和狀態(tài)設(shè)置，之后執(zhí)行返回過閘程序，進(jìn)入艙內(nèi)。

工作流程示意如圖5所示。

圖5 三元聯(lián)合探測模式工作流程Fig.5 Procedure of three-element joint exploration mode

4 月面人機(jī)聯(lián)合探測任務(wù)規(guī)劃

4.1 探測任務(wù)想定

參考阿波羅計劃的月面探測任務(wù)［19］，典型月面活動可分為地質(zhì)考察、月球樣品采集及月面科學(xué)實驗，各項活動的具體描述如下:

1)地質(zhì)考察:月海、高地、峽谷和火山口等地質(zhì)單元的地貌拍攝以及地質(zhì)數(shù)據(jù)采集;科學(xué)探測儀器的安裝和調(diào)試:安裝激光反射器、天文望遠(yuǎn)鏡、月震儀、磁力儀、空間環(huán)境探測包和其它探測儀器等;

2)月球樣品采集:進(jìn)行巖心鉆探以及巖石、土壤采挖;

3)月面科學(xué)實驗:進(jìn)行月球內(nèi)部物理探測、月球環(huán)境探測等。

4.2 人機(jī)能力特性分析

采用人機(jī)聯(lián)合方式執(zhí)行以上探測任務(wù)，需要根據(jù)人機(jī)各自的能力特性，形成人與機(jī)器的完美搭配。

［20］，從三個層面上對人與機(jī)器的能力特性進(jìn)行了比較。首先是感知層面，即系統(tǒng)對外界信息的獲取;第二是決策層面，基于感知得到的信息進(jìn)行判斷和決策;第三是執(zhí)行層面，執(zhí)行決策層面所做出的決策結(jié)果。比較結(jié)果如表1所示。

從人與機(jī)器人的功能特性對比可以看出:

1)人與機(jī)器人相比在智能決策、綜合感知、意外處理等方面，具有優(yōu)勢;

2)一些快速運算、復(fù)雜精密、單調(diào)重復(fù)、長期連續(xù)、重載、環(huán)境惡劣的探測任務(wù)，適合機(jī)器人完成;

3)人的優(yōu)點正好是自動化控制的缺點，而自動化控制的優(yōu)點又正好是人的缺點，兩者互補(bǔ)形成了人機(jī)聯(lián)合的基礎(chǔ)。

表1 人機(jī)適合完成的功能比較Table 1 Function comparison of human and machine

4.3 任務(wù)分配方案

在月面探測任務(wù)中，應(yīng)根據(jù)任務(wù)的復(fù)雜程度以及航天員和類人機(jī)器人各自的優(yōu)勢，采用不同的人機(jī)聯(lián)合方式，實現(xiàn)探測效率的最大化。根據(jù)各項具體任務(wù)中航天員和類人機(jī)器人的參與程度，本文將人機(jī)聯(lián)合方式分為“人主機(jī)輔”、“機(jī)主人輔”以及“人機(jī)協(xié)同”三種。

將4.1中各項活動進(jìn)行功能分解，結(jié)合4.2中人機(jī)特性的分析，可對航天員和類人機(jī)器人適合執(zhí)行的月面探測任務(wù)進(jìn)行分配，如表2所示。

表2 月面探測任務(wù)分配Table 2 Assignment of lunar exploration task

5 展望

航天員與類人機(jī)器人月面聯(lián)合探測是實施月球探測任務(wù)的有效途徑。然而，該項技術(shù)距離工程實施還存在一定的差距，在后續(xù)研究中應(yīng)著力對以下關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān):

1)類人機(jī)器人技術(shù)

類人機(jī)器人是月面人機(jī)聯(lián)合探測的直接執(zhí)行單元，其主要依托技術(shù)有機(jī)械結(jié)構(gòu)技術(shù)、控制技術(shù)、傳感技術(shù)、通信技術(shù)和電源技術(shù)等。其中控制技術(shù)是實現(xiàn)類人機(jī)器人月面活動的核心技術(shù)，包含機(jī)器人行走的路徑規(guī)劃和穩(wěn)定控制。

2)人機(jī)協(xié)同操作技術(shù)

人機(jī)協(xié)同操作技術(shù)是在探測任務(wù)規(guī)劃的基礎(chǔ)上，根據(jù)任務(wù)內(nèi)容、人機(jī)特性以及環(huán)境等因素，分階段、分自由度以及分控制權(quán)重，設(shè)計具體操作過程中，人機(jī)的協(xié)同方式。

3)遙操作控制技術(shù)

當(dāng)操作員從地球或軌道艙內(nèi)對月面類人機(jī)器人進(jìn)行遙操作控制時，面臨的一個關(guān)鍵問題是控制回路中存在時延，時延將影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及控制效果，因此，應(yīng)研究克服時延的控制方法。

4)能源通信等支撐技術(shù)

月面航天員和類人機(jī)器人不可能單獨的完成任務(wù)，需要能源、通信等技術(shù)的支持。能源補(bǔ)給站主要為類人機(jī)器人和月球車進(jìn)行能源補(bǔ)給，通信站主要為航天員、類人機(jī)器人和月球車提供通信和定位服務(wù)任務(wù)，具備與月球車、月面活動機(jī)器人之間的無線電通信保障及視頻監(jiān)控傳輸與轉(zhuǎn)發(fā)功能。

5)地面仿真驗證技術(shù)

地面仿真驗證技術(shù)主要包括月面環(huán)境模擬技術(shù)、類人機(jī)器人模擬技術(shù)和遙操作控制回路模擬技術(shù)等。月面環(huán)境模擬包括月球引力場模擬和月面地形地貌模擬，類人機(jī)器人模擬技術(shù)即研制月面探測類人機(jī)器人的原理樣機(jī)，遙操作回路模擬技術(shù)主要實現(xiàn)遙操作控制端的模擬和時延模擬。

月面航天員與類人機(jī)器人聯(lián)合探測技術(shù)可有效保障月面探測任務(wù)的實施，目前研究還有很多技術(shù)問題亟待解決。可以預(yù)見，隨著對以上關(guān)鍵技術(shù)的不斷深入研究，月面人機(jī)聯(lián)合探測技術(shù)將會在月球探測任務(wù)中發(fā)揮重要作用。

［參考文獻(xiàn)］

［1］管春磊，周鵬，強(qiáng)靜.國外載人登月發(fā)展趨勢分析［J］.國際太空，2009，15(2):22-28.

［2］龍樂豪.關(guān)于載人登月工程若干問題的思考［J］.導(dǎo)彈與航天運載技術(shù)，2010，6:1-5.

［3］鄭偉，許厚澤，鐘敏，等.月球探測計劃研究進(jìn)展［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2012，27(6):2296-2307.

［4］Lyndon B.Apollo Program Summary Report［R］.NASA report JSC-09423.1975.4.

［5］Diftler M A，Mehling J S，Abdallah M E，et al.Robonaut 2-the first humanoid robot in space［C］//Robotics and Automation(ICRA)，2011 IEEE International Conference on.IEEE，2011:2178-2183.

［6］Raibert M.Dynamic legged robots for rough terrain［C］//Humanoid Robots(Humanoids)，2010 10th IEEE-RAS International Conference on.IEEE，2010:1-1.

［7］李航，宋春華，羅勝彬，等.機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢［J］.微特電機(jī)，2013，41(4):49-52.

［8］王劍.仿人機(jī)器人在線運動規(guī)劃方法研究［D］.長沙:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2008.

［9］徐文福，梁斌，李成，等.空間機(jī)器人微重力模擬實驗系統(tǒng)研究綜述［J］.機(jī)器人，2009，31(1):88-96.

［10］Boessenkool H，Abbink D A，Heemskerk C J M，et al.A task-specific analysis of the benefit of haptic shared control during telemanipulation［J］.IEEE TRANSACTIONS ON HAPTICS，2013，6(1):2-12.

［11］李滋堤，孫富春，劉華平，等.基于人工勢場的空間遙操作共享控制［J］.清華大學(xué)學(xué)報，2010，50(10):1728-1737.

［12］Smisek J，van Paassen M M，Mulder M，et al.Neuromuscular analysis based tuning of haptic shared control assistance for UAV collision avoidance［C］//World Haptics Conference(WHC)，2013.IEEE，2013:389-394.

［13］Katzourakis D，Alirezaei M，de Winter J C F，et al.Shared control for road departure prevention［C］//Systems，Man，and Cybernetics(SMC)，2011 IEEE International Conference on.IEEE，2011:1037-1043.

［14］Anderson S J，Karumanchi S B，Iagnemma K.Constraintbased planning and control for safe，semi-autonomous operation of vehicles［C］//Intelligent Vehicles Symposium(IV)，2012 IEEE.IEEE，2012:383-388.

［15］周前祥，曲戰(zhàn)勝，王春慧，等.最后接近段交會對接飛行器人機(jī)聯(lián)合控制的仿真研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2006，18(5):1379-1383.

［16］周劍勇.遙操作交會對接概念與關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.長沙:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2013.

［17］張波，李海陽，唐國金.變時延遙操作交會的Smith模糊控制［J］.物理學(xué)報，2013，62(2):029601.

［18］Zhang B，Tang G，Li H，et al.Predictive control of teleoperation rendezvous with large time delay［C］//Control and Automation(ICCA)，2013 10th IEEE International Conference on.IEEE，2013:896-901.

［19］李成智，李建華.阿波羅登月計劃研究［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2010:275-298.

［20］陳鷹，楊燦軍.人機(jī)智能系統(tǒng)理論與方法［M］.杭州:浙江大學(xué)出版社，2006:90-96.