月面服務(wù)機(jī)器人研究進(jìn)展及發(fā)展設(shè)想

韓亮亮，陳 萌，張崇峰，張玉花

（1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201108；2.上海航天技術(shù)研究院，上海201109）

1 引言

在我國(guó)載人航天工程和月球探測(cè)工程之后，我國(guó)基本具備了實(shí)施以月球?yàn)榇淼妮d人深空探測(cè)的技術(shù)條件。有人參與的深空探測(cè)任務(wù)發(fā)展原則遵循“以有人參與為目的，先期開(kāi)展多項(xiàng)無(wú)人深空探測(cè)任務(wù)，將無(wú)人與有人深空探測(cè)任務(wù)融合發(fā)展，逐步突破核心關(guān)鍵技術(shù)，帶動(dòng)科學(xué)技術(shù)的跨越式發(fā)展”［1］。

作為一種典型的空間機(jī)器人，月面服務(wù)機(jī)器人將在月面作業(yè)、月面資源開(kāi)發(fā)利用、科學(xué)實(shí)驗(yàn)及建造維修等任務(wù)中發(fā)揮重要作用。在已立項(xiàng)的月球探測(cè)工程與未來(lái)載人登月工程之間的空檔期，開(kāi)展持續(xù)、高效的月面機(jī)器人探測(cè)，可完成更廣泛區(qū)域的月球科學(xué)探測(cè)任務(wù)，并為載人登月提供科學(xué)與工程數(shù)據(jù)和先期基礎(chǔ)設(shè)施。另一方面，在未來(lái)的載人登月任務(wù)中，月面服務(wù)機(jī)器人可作為航天員的助手，以人機(jī)交互、協(xié)作、耦合的方式與航天員組成有機(jī)的月面活動(dòng)系統(tǒng)，結(jié)合人的主觀性、智能性及機(jī)器人極端環(huán)境長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)的優(yōu)點(diǎn)完成更復(fù)雜的月面作業(yè)。

本文綜述國(guó)內(nèi)外月面機(jī)器人的研究進(jìn)展，分析月面活動(dòng)對(duì)機(jī)器人的需求，并提出月面服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展方向和設(shè)想。

2 月面機(jī)器人研究進(jìn)展

早期的月面機(jī)器人通常被簡(jiǎn)稱(chēng)為月球車(chē)，如美國(guó)、前蘇聯(lián)的月球車(chē)［2］及我國(guó)的嫦娥三號(hào)巡視器“玉兔” 號(hào)［3?4］，以及火星巡視器如“索杰娜”、“勇氣”號(hào)、“機(jī)遇”號(hào)及“好奇”等號(hào)［5］，其典型特征一般為六輪或八輪的輪式行駛機(jī)構(gòu)及搖臂懸架系統(tǒng)，在直觀上表征為“車(chē)”的特征。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，各種新型的星表機(jī)器人形式也可考慮用于月球的探測(cè)。

1）NASA的Robonaut及Centaur機(jī)器人

早在上世紀(jì)90年代，美國(guó)就開(kāi)展了機(jī)器人航天員Robonaut的研制。2011年NASA與通用公司GM聯(lián)合研制的第二代機(jī)器人航天員（Robo?naut2）進(jìn)入國(guó)際空間站［6?7］，如圖 1（a）所示。 機(jī)器人航天員Robonaut具有如下特點(diǎn)：在形體上具有頭部、頸部、軀干、雙臂、多指靈巧手等人類(lèi)的特征，R2全身共42個(gè)自由度，其中包括3自由度頸部、2個(gè)7自由度的手臂、2個(gè)12自由度的五指靈巧手以及1自由度腰部，因此可達(dá)到類(lèi)似人的工作能力；五指靈巧手的比例與航天員相當(dāng)，可直接使用航天員的工具，5個(gè)手指共12個(gè)自由度，運(yùn)動(dòng)靈活，可輔助航天員完成部分空間操作任務(wù)；集成了視覺(jué)相機(jī)、紅外相機(jī)、六維腕力傳感器、接觸力傳感器、角度及位移傳感器等約多達(dá)350個(gè)傳感器［6?7］。

NASA為Robonaut增加了移動(dòng)系統(tǒng)，組成了一種半人馬式結(jié)構(gòu)（Centaur），如圖1（b）所示，可適應(yīng)月球、火星的巡視探測(cè)需要［8?9］；其移動(dòng)系統(tǒng)為輪腿式構(gòu)型，在傳統(tǒng)輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了腿式機(jī)構(gòu)，可適應(yīng)具有挑戰(zhàn)性的地形，并可在斜坡或陡峭的地形上保持上半身操作部分的姿態(tài)；每個(gè)輪子獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，可原地轉(zhuǎn)向及多方向平動(dòng)；同時(shí)可通過(guò)輪腿機(jī)構(gòu)的變構(gòu)型為載荷作業(yè)或機(jī)器人操作提供穩(wěn)定的操作平臺(tái)。此外，NASA也提出了為Robonaut增加二條腿式形成一個(gè)完整的人形機(jī)器人開(kāi)展月面探測(cè)的設(shè)想，如圖1（c）所示。在控制方面，Centaur繼承了Robonaut的可穿戴人機(jī)交互界面FITT；此外配置了類(lèi)似于腳踏板的交互設(shè)備駕駛控制機(jī)器人的方向和加速；通過(guò)上述交互設(shè)備的配置可使一個(gè)遙操作人員協(xié)調(diào)控制機(jī)器人的上半身和移動(dòng)基座的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。

圖1 Robonaut的多種構(gòu)型形式［7?9］Fig.1 Different configurations of Robonaut［7?9］

Centaur機(jī)器人的主要特點(diǎn)為輪腿式的移動(dòng)機(jī)構(gòu)與仿人操作機(jī)構(gòu)的融合配置，一方面可滿足復(fù)雜地形的通過(guò)性要求，另一方面具有類(lèi)人的工作和可達(dá)空間，可實(shí)現(xiàn)精細(xì)、靈活的服務(wù)操作。

2）NASA全地形六足地外探測(cè)器（ATH?LETE）

NASA考慮在未來(lái)月球任務(wù)中使用可移動(dòng)的月球基地，全地形六足地外探測(cè)器 ATHLETE（All?Terrain Hex?Limbed， Extra?Terrestrial Explor?er）在其中發(fā)揮著重要作用，ATHLETE由噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）研發(fā)，其被設(shè)想在月面運(yùn)送大質(zhì)量的載人月球居留艙，共研制了兩代樣機(jī)SDM和T12［10?12］，如圖 2 所示。 ATHLETE SDM 的六邊形底盤(pán)跨度2.75 m，每邊配置6自由度、最大展開(kāi)長(zhǎng)度2.08 m的機(jī)械腿，機(jī)械腿的末端為直徑0.71 m的車(chē)輪，車(chē)輪的一側(cè)配置為可快速連接不同作業(yè)工具的接口，因此每個(gè)機(jī)械腿也可作為機(jī)械臂進(jìn)行通用化的操作作業(yè)。第二代的ATH?LETE T12由兩個(gè)三足的 Tri?ATHLETE T1和 T2對(duì)接組合而成，T12的腿約4 m長(zhǎng)，每個(gè)腿為7自由度。

圖2 全地形六足地外探測(cè)器（ATHLETE）［10］Fig.2 Prototype of ATHLETE［10］

ATHLETE具有移動(dòng)作業(yè)一體化的特點(diǎn)，移動(dòng)機(jī)構(gòu)和操作機(jī)構(gòu)的復(fù)用可減少對(duì)探測(cè)器質(zhì)量、功耗等資源的需求，對(duì)于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的輕量化有重要的意義。

3）噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）的樣品返回探測(cè)器（SSR）

NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的樣品返回探測(cè)器（Sample Return Rover，SRR）［13?15］如圖 3 所示，質(zhì)量約7 kg，最高運(yùn)動(dòng)速度為30～50 cm／s，具有四個(gè)可獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向的驅(qū)動(dòng)輪系及主動(dòng)控制的肩關(guān)節(jié)車(chē)輪通過(guò)平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)連接車(chē)體的懸掛系統(tǒng)。通過(guò)肩關(guān)節(jié)的主動(dòng)控制可以適應(yīng)地形變化，也可主動(dòng)調(diào)節(jié)車(chē)體高度，從而增加車(chē)底的凈空避免接觸障礙或降低車(chē)體高度以增強(qiáng)穩(wěn)定性；也可通過(guò)肩關(guān)節(jié)主動(dòng)調(diào)節(jié)改變機(jī)器人質(zhì)心位置以適應(yīng)崎嶇不平的險(xiǎn)惡地形環(huán)境，從而提高機(jī)器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性和適應(yīng)性［4］。SRR的前端配置了質(zhì)量5 kg、負(fù)載3 kg、位置精度3 mm的4自由度機(jī)械臂。機(jī)械臂末端配置了工具塔，可使機(jī)械臂使用多種科學(xué)載荷設(shè)備，同時(shí)工具塔也配備了連接機(jī)構(gòu)，可連接存放于機(jī)器人本體的多種末端采樣工具。

圖3 噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的樣品返回探測(cè)器［14］Fig.3 Prototype of SRR of JPL［14］

SSR的典型特征為可主動(dòng)變結(jié)構(gòu)的懸架系統(tǒng)，此類(lèi)配置可有效提高機(jī)器人對(duì)地形的主動(dòng)適應(yīng)性、發(fā)射狀態(tài)的收攏比、移動(dòng)作業(yè)的穩(wěn)定性。

4）歐空局（ESA）的可重構(gòu)月面探測(cè)車(chē)

ESA的月面探測(cè)車(chē)，利用6個(gè)液壓驅(qū)動(dòng)輪的構(gòu)型變化，可自重構(gòu)為三種不同形態(tài)：普通輪式滾動(dòng)形態(tài)，多足爬行形態(tài)，和機(jī)械臂工作形態(tài)。以適應(yīng)不同的月面地形和探測(cè)采集需求，如圖4所示。實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用，該機(jī)器人具有高度的自主性和環(huán)境適應(yīng)性。

圖4 歐空局的可重構(gòu)月面探測(cè)車(chē)Fig.4 Reconfigurable lunar rover of ESA

5）德國(guó)模塊化可重構(gòu)多機(jī)器人月面探測(cè)系統(tǒng)

德宇航提出了模塊化可重構(gòu)多機(jī)器人月面探測(cè)系統(tǒng)（Reconfigurable Integrated Multi?Robot Ex?ploration System， RIMRES）的概念［16?17］，如圖 5 所示。在此計(jì)劃下，德國(guó)人工智能研究中心DFKI研發(fā)了新型探月機(jī)器人，包括四輪機(jī)器人Sherpa和六足機(jī)器人CREX。兩個(gè)機(jī)器人可完全獨(dú)立地工作，也可通過(guò)機(jī)電接口重構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)開(kāi)展組合工作。

圖5 德國(guó)的可重構(gòu)綜合勘探多機(jī)器人系統(tǒng)［16?17］Fig.5 RIMRESof DFKI［16?17］

Sherpa機(jī)器人系統(tǒng)采用混合輪腿結(jié)構(gòu)，自重約200 kg，可負(fù)載質(zhì)量約60 kg，腿部搖擺機(jī)構(gòu)具有4個(gè)自由度，平行四邊形機(jī)構(gòu)也可提供一個(gè)被動(dòng)自由度，主動(dòng)懸架系統(tǒng)不僅可實(shí)現(xiàn)在適度結(jié)構(gòu)化地形的相對(duì)節(jié)能運(yùn)動(dòng)，還可通過(guò)懸架機(jī)構(gòu)的主動(dòng)調(diào)整實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的重構(gòu)變化，從而增加機(jī)器人在崎嶇路面的通過(guò)性。Sherpa的機(jī)械臂展開(kāi)長(zhǎng)度約1.7 m，用于載荷操作、巡視檢查、質(zhì)心平衡，也可將機(jī)械臂作為一個(gè)輔助的腿部使用。

CREX是蜘蛛式六足爬行機(jī)器人，利用多足和多冗余度實(shí)現(xiàn)在月球隕石坑惡劣等未知環(huán)境的探測(cè)工作。CREX的由DFKI開(kāi)發(fā)的六足機(jī)器人SpaceClimber［18］發(fā)展而來(lái)，其質(zhì)量為 25 kg，單腿 4個(gè)主動(dòng)自由度，整機(jī)共26個(gè)自由度（頭部、軀干各一個(gè)主動(dòng)自由度），頭部集成了視覺(jué)相機(jī)及激光雷達(dá)。

6）德國(guó)仿黑猩猩機(jī)器人（iStruct Demonstrator）

德國(guó)人工智能研究中心（DFKI）在 iStruct Demonstrator計(jì)劃中以黑猩猩為雛形設(shè)計(jì)了一種月球探測(cè)機(jī)器人。仿黑猩猩的設(shè)計(jì)能充分借鑒猩猩攀爬作業(yè)的四肢穩(wěn)定性及在各種地形移動(dòng)的優(yōu)勢(shì)。仿猩猩機(jī)器人最典型的特性是其可根據(jù)不同地形選擇不同的行走模式，平坦地形可以雙足方式行走，復(fù)雜地形可切換為四足爬行模式，如圖6所示。在雙足直立模式，兩個(gè)前臂也可以開(kāi)展樣品采集等作業(yè)任務(wù)［19?21］。

圖6 機(jī)器猩猩的多種運(yùn)動(dòng)方式［19?20］Fig.6 Multi movement modes of ape?like robot［19?20］

猩猩并不是唯一被模仿飛上太空的動(dòng)物，DFKI同時(shí)還在制定仿螳螂［22］和蝎子機(jī)器人的登月計(jì)劃，如圖7所示。該類(lèi)機(jī)器人的共同特點(diǎn)就是機(jī)器人既可靠四肢站穩(wěn)、行走，又能用前面兩條腿來(lái)操縱物體。

7）美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)六足彈跳機(jī)器人

圖7 德國(guó)仿螳螂月面機(jī)器人［22］Fig.7 MANTIS of DFKI［22］

可在多障礙環(huán)境下靈活移動(dòng)的彈跳機(jī)器人是月面機(jī)器人可考慮的形式之一。美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)研制了一種六足彈跳機(jī)器人 X?RHex［23?24］。其最新版本 X?RHex Lite重 6.7 kg，站立高度約20 cm，長(zhǎng)為51 cm，體積小、重量輕，可由單人攜帶；其具有六條腿，每條腿為半圓形且具有一定的彈性，外層還具有防滑的凹凸橡膠，如圖8所示。該機(jī)器人具備雙足跳躍、四足跳躍、六足跳躍等運(yùn)動(dòng)模式，可以連續(xù)跳躍，通過(guò)不同的跳躍模式可實(shí)現(xiàn)在不同地形的移動(dòng)，如跳躍凹陷、跨越障礙等。

圖8 六足彈跳機(jī)器人 X?RHex Lite 彈跳實(shí)驗(yàn)［23?24］Fig.8 The jumping test of X?RHex Lite［23?24］

8）美國(guó)變拓?fù)浞瓭L探測(cè)機(jī)器人

NASA以火星探測(cè)為背景，從2008年開(kāi)始，開(kāi)展了變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多面體翻滾機(jī)器人TET的研究。變拓?fù)浞瓭L機(jī)器人是一種變幾何桁架機(jī)構(gòu)，其基本原理為通過(guò)各桿件的伸縮實(shí)現(xiàn)機(jī)器人重心的偏移，當(dāng)重心超越其穩(wěn)定區(qū)域后，機(jī)器人失穩(wěn)從而發(fā)生翻滾運(yùn)動(dòng)；機(jī)器人也可通過(guò)桿件的協(xié)調(diào)伸縮實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物的翻越或在溶洞、狹縫等地形的爬行。目前已研制了三代原理樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了1 重、4 重、12 重四面形樣機(jī)的研制和試驗(yàn)［25?27］，如圖9所示。

圖9 12重四面體翻滾機(jī)器人［27］Fig.9 Prototype of 12?TET［27］

3 月面活動(dòng)作業(yè)對(duì)機(jī)器人的需求

結(jié)合無(wú)人月球探測(cè)及有人月球探測(cè)的任務(wù)需求，為了提升月面智能操作能力、降低航天員月面作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)、減輕航天員作業(yè)負(fù)擔(dān)，月面機(jī)器人的主要功能需求如下：

1）航天員月面輔助：輔助航天員進(jìn)行一定范圍內(nèi)高效率的行走、移動(dòng)，輔助或協(xié)同航天員完成復(fù)雜月面作業(yè)任務(wù)；

2）高效移動(dòng)能力：具備對(duì)月海、高地、山脈、撞擊坑、溶洞等典型月面形貌的移動(dòng)通過(guò)能力；

3）儀器投放安裝能力：自主或輔助航天員完成載荷設(shè)備的投放或安裝，如月面激光反射器、無(wú)線電信標(biāo)和熱流探針等安裝、調(diào)試；

4）潛在水冰資源原位探測(cè)：自主或輔助航天員開(kāi)展水冰資源原位探測(cè)，如利用激光加熱?光譜儀分析月球極區(qū)的水冰資源；

5）月壤水冰混合物鉆取?封裝?儲(chǔ)存：實(shí)現(xiàn)輕量化、一體化的低污染水冰鉆取?封裝及儲(chǔ)存；

6）月巖、隕石樣本識(shí)別與采集：通過(guò)先進(jìn)的視覺(jué)識(shí)別及精細(xì)操控技術(shù)實(shí)現(xiàn)高價(jià)值月面樣本的獲?。?/p>

7）月面資源的探測(cè)和開(kāi)采：對(duì)月球資源進(jìn)行開(kāi)采試驗(yàn)、原位資源利用與存儲(chǔ)技術(shù)試驗(yàn)，為建立長(zhǎng)期運(yùn)行的無(wú)人月球科研站、月球基地的建設(shè)進(jìn)行前期準(zhǔn)備；

8）模塊化搭載功能：開(kāi)展通用化、標(biāo)準(zhǔn)化接口設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物學(xué)試驗(yàn)載荷、原位制氧載荷、近月磁場(chǎng)、電場(chǎng)探測(cè)儀、微型機(jī)器人等多種不同類(lèi)型載荷的搭載；

9）月面人機(jī)聯(lián)合作業(yè)：機(jī)器人與航天員聯(lián)合作業(yè)，結(jié)合航天員、機(jī)器人間的互補(bǔ)特性，以最優(yōu)化模式協(xié)同作用獲取最佳探測(cè)作業(yè)效果［28］。

根據(jù)月面機(jī)器人的功能需求，經(jīng)過(guò)梳理形成月球機(jī)器人的配置需求，如圖10所示。其中巡視機(jī)器人主要用于月面常規(guī)及極端地形條件下月面環(huán)境的巡視勘察，此外還具備航天員搭載和運(yùn)送的能力，輔助航天員開(kāi)展月面的高效移動(dòng)。服務(wù)機(jī)器人主要用于各項(xiàng)科學(xué)探測(cè)和工程建設(shè)工作，其功能根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)行配置，如月面組裝維修、月面基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等，主要特點(diǎn)是負(fù)載能力強(qiáng)、操作靈活精細(xì)等。

根據(jù)上述功能和機(jī)器人配置需求，對(duì)于月面機(jī)器人的主要配置思路，可考慮配置多種不同類(lèi)型、功能相對(duì)獨(dú)立的機(jī)器人，組成一個(gè)機(jī)器人群，多機(jī)器人可相互協(xié)作；也可考慮根據(jù)探測(cè)作業(yè)地形或典型任務(wù)，配置有限規(guī)格、多功能集成的機(jī)器人。

4 月面服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展方向及設(shè)想

1）由傳統(tǒng)的輪式星球車(chē)向輪腿式機(jī)器人發(fā)展

目前成功在地外星表運(yùn)行的機(jī)器人均采用輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有運(yùn)動(dòng)速度快、傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高等特點(diǎn)；但輪式移動(dòng)系統(tǒng)對(duì)崎嶇地面適應(yīng)能力稍差，越野和越障能力稍差。

腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)一般采用仿生學(xué)原理，主要模擬哺乳動(dòng)物、昆蟲(chóng)等生物的行動(dòng)方式，可以實(shí)現(xiàn)很好的越障和避障能力，有的可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，而且不會(huì)打滑；但腿式機(jī)器人的缺點(diǎn)也很明顯：零部件多，系統(tǒng)復(fù)雜，驅(qū)動(dòng)、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度增加，機(jī)械可靠性下降，承載能力有限，行走速度較慢，功耗比較大。

作為輪式機(jī)構(gòu)和腿式機(jī)構(gòu)的折中方案，輪腿式移動(dòng)方案融合了腿式的地形適應(yīng)能力和輪式的高速高效性能，同時(shí)具有優(yōu)越的越障、避障以及地形適應(yīng)等能力，對(duì)復(fù)雜星球表面環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。雖然輪腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)也具有組成復(fù)雜、控制難度大、可靠性降低等缺點(diǎn)，但由于其優(yōu)越的移動(dòng)性能，一直是研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，輪腿式移動(dòng)方案符合未來(lái)深空巡視探測(cè)質(zhì)量低、效率高、極限地形通過(guò)性好的要求。

2）由傳統(tǒng)輪式星球車(chē)向多形態(tài)仿生機(jī)器人發(fā)展

圖10 月面機(jī)器人功能及配置需求Fig.10 The function and configuration requirements for lunar robot

對(duì)于月面極端地形的探測(cè)，除了輪式、腿式及輪腿式機(jī)器人，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者基于仿生學(xué)的啟示提出了多種形態(tài)的機(jī)器人，如仿人、仿猩猩、仿昆蟲(chóng)、蛇形、球形、跳躍式、蠕動(dòng)式機(jī)器人等。此類(lèi)機(jī)器人突破了傳統(tǒng)的“車(chē)”的概念，特別適應(yīng)復(fù)雜極端的地形環(huán)境，能夠穿越山洞、攀爬巖石、鉆入月表，高效地開(kāi)展惡劣地形勘察、精細(xì)操作、鉆探取樣等探測(cè)工作，使任務(wù)更加靈活、豐富。

仿人或仿猩猩機(jī)器人具有行走作業(yè)一體化的特點(diǎn)，在構(gòu)型與外形上與人相似，通過(guò)配備靈巧手和操作工具可具備類(lèi)人的操作能力；移動(dòng)模式不局限于雙足步行，可類(lèi)擬于猩猩、猿猴等靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物四足爬行，可針對(duì)不同的地形改變其行走模式。且仿人具有類(lèi)人的工作能力和可達(dá)空間，可為后續(xù)航天員登月開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，如航天員月面行走、操作等行為模擬等。

小型四足或六足的機(jī)器人可考慮用于含有巖石、泥土、沙子甚至峭壁和陡坡等障礙物的崎嶇地形的巡視探測(cè)。蛇形機(jī)器人可考慮用于月面狹縫、裂縫、溶洞、月坑等特殊地形的巡視探測(cè)。此外，一些基于滾動(dòng)移動(dòng)思想的球形或多面體機(jī)器人也可考慮用于一種針對(duì)性環(huán)境的巡視探測(cè)。

3）由固定構(gòu)形向可重構(gòu)變拓?fù)錂C(jī)器人發(fā)展

月面著陸器限于有限的載荷搭載能力，不能將大量構(gòu)型固定的機(jī)器人運(yùn)送到月面；針對(duì)在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境作業(yè)的需求，為滿足月面多屬性任務(wù)的執(zhí)行，也需要多形態(tài)多功能機(jī)器人?？芍貥?gòu)機(jī)器人為解決此類(lèi)問(wèn)題提供了一種思路，可重構(gòu)機(jī)器人可基于指定的任務(wù)快速重構(gòu)成具有適應(yīng)任務(wù)的拓?fù)錁?gòu)型，并附之以可重構(gòu)的控制算法和規(guī)劃策略?？芍貥?gòu)變拓?fù)錂C(jī)器人在廣義上可包涵機(jī)器人整體構(gòu)型或局部構(gòu)型的重構(gòu)和變形。

對(duì)于整體構(gòu)型可重構(gòu)的月面機(jī)器人，可考慮多個(gè)模塊化的小型機(jī)器人獨(dú)立包裝和著陸，可降低對(duì)發(fā)射包絡(luò)的需求和上升段過(guò)載能力的要求。小型機(jī)器人獨(dú)立模式工作時(shí)，可相對(duì)獨(dú)立地開(kāi)展特定分工的任務(wù)，也可相互通信協(xié)同工作。小型機(jī)器人組可根據(jù)任務(wù)需要，雙機(jī)器人或多機(jī)器人自由組合，以適應(yīng)不同環(huán)境和任務(wù)的需求。

對(duì)于局部構(gòu)型可重構(gòu)的月面機(jī)器人，通過(guò)自身局部部件的變形以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)或功能部件的復(fù)用。如車(chē)輪的功能復(fù)用，通過(guò)輪子的變形實(shí)現(xiàn)機(jī)器人車(chē)輪的輪式滾動(dòng)、足式爬行移動(dòng)和機(jī)械臂式操作等多種形態(tài)；如懸掛機(jī)構(gòu)的變構(gòu)型，利用鉸鏈懸掛機(jī)構(gòu)的改變，達(dá)到適應(yīng)崎嶇不平的險(xiǎn)惡地形環(huán)境的目的，或者達(dá)到減小壓緊收攏包絡(luò)的目的。

4）由單一機(jī)器人探測(cè)向多機(jī)器人聯(lián)合探測(cè)發(fā)展

月球機(jī)器人將從單機(jī)器人工作逐步向多機(jī)器人系統(tǒng)協(xié)調(diào)作業(yè)發(fā)展，多個(gè)機(jī)器人組成的群體機(jī)器人系統(tǒng)間協(xié)調(diào)協(xié)作，其能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單機(jī)器人能力的簡(jiǎn)單疊加，而且群體中單個(gè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡(jiǎn)單、體積變小、任務(wù)專(zhuān)門(mén)化，可大大提高機(jī)器人工作的可靠性，增加作業(yè)的靈活性，從而提高探測(cè)效率，甚至完成單個(gè)機(jī)器人無(wú)法實(shí)現(xiàn)的技術(shù)任務(wù)。機(jī)器人團(tuán)隊(duì)協(xié)作可取長(zhǎng)補(bǔ)短，協(xié)同作業(yè)實(shí)現(xiàn)“1＋1＞2”的效果。

對(duì)于多機(jī)器人的構(gòu)成模式，可采用主／從或平級(jí)的模式。主／從模式一般指子母機(jī)器人的形式，主機(jī)器人將承擔(dān)巡視作業(yè)的大部分任務(wù)，從機(jī)器人主要用于特定的任務(wù)和操作，主從模式一定程度將降低從機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)難度和資源消耗。

對(duì)于多機(jī)器人的構(gòu)成形態(tài)，可采用同構(gòu)式或異構(gòu)式的形態(tài)。同構(gòu)式機(jī)器人團(tuán)隊(duì)由多種構(gòu)型相似的機(jī)器人組成，便于多機(jī)器人重構(gòu)和組合使用。異構(gòu)式機(jī)器人團(tuán)隊(duì)由多種創(chuàng)新形態(tài)的機(jī)器人組成，是一種適合多環(huán)境、多任務(wù)的探測(cè)系統(tǒng)。

5）向與航天員高效聯(lián)合作業(yè)的高安全、高可靠協(xié)作型機(jī)器人方向發(fā)展

在未來(lái)的載人月球探測(cè)活動(dòng)中，航天員需要與機(jī)器人在同一現(xiàn)場(chǎng)工作，且航天員與機(jī)器人有交互、聯(lián)合作業(yè)的需求，因此機(jī)器人與航天員的共融將是未來(lái)月面作業(yè)機(jī)器人的重要特征之一。

協(xié)作型月面機(jī)器人首先需保證航天員的安全，機(jī)器人應(yīng)具備高本質(zhì)安全性，即機(jī)器人的機(jī)構(gòu)和本體需具備足夠的柔性，在與航天員接觸作業(yè)時(shí)不會(huì)對(duì)航天員帶來(lái)安全隱患。協(xié)作型月面機(jī)器人對(duì)航天員行為的感知和理解技術(shù)需進(jìn)一步提升，從而為與航天員的協(xié)同提供依據(jù)。協(xié)作型月面機(jī)器人也需配置多模態(tài)的人機(jī)交互手段，方便航天員自然、直觀地對(duì)機(jī)器人進(jìn)行交互控制。對(duì)航天員而言，月面機(jī)器人將不再是單純的月面作業(yè)工具，而是與航天員并肩協(xié)同的助手。

5 結(jié)論

在無(wú)人月球探測(cè)及有人月球探測(cè)的任務(wù)中，具有復(fù)雜地形適應(yīng)能力及靈巧操作能力的月面服務(wù)機(jī)器人有巨大的應(yīng)用潛力。在目前相對(duì)成熟輪式月球車(chē)的基礎(chǔ)上，發(fā)展具有仿生、輪腿式、可重構(gòu)、多機(jī)協(xié)同、人機(jī)協(xié)作等特點(diǎn)的新概念月球服務(wù)機(jī)器人，一方面可有效提高機(jī)器人對(duì)極端月面環(huán)境和復(fù)雜操作任務(wù)的適應(yīng)能力，另一方面可大力推動(dòng)和牽引月面機(jī)器人的原始技術(shù)創(chuàng)新。目前新型月面服務(wù)機(jī)器人的研究多數(shù)在概念及原理樣機(jī)階段，為實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，還需解決多自由度機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)控制、月面環(huán)境適應(yīng)性、能源與通信、多機(jī)協(xié)調(diào)等關(guān)鍵技術(shù)。

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