面向載人月球探測(cè)任務(wù)的月面機(jī)器人系統(tǒng)初探

張崇峰，韓亮亮

(1.上海航天技術(shù)研究院，上海201109；2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201109；3.中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司空間結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，上海201109)

1 引言

月球是離地球最近的地外天體，登月是實(shí)現(xiàn)人類對(duì)太空拓展的第一步。自1966年至今，人類成功完成了21次月球軟著陸任務(wù)，蘇聯(lián)的月球號(hào)(Luna)系列，美國(guó)的勘測(cè)者號(hào)(Surveyor)系列、阿波羅號(hào)(Apollo)系列，中國(guó)的CE-3號(hào)、CE-4號(hào)相繼登陸月球，開展了移動(dòng)巡視、樣品采集、科學(xué)試驗(yàn)等月面活動(dòng)，取得了寶貴的科學(xué)及工程成果。著陸月球、在月表開展直接的探測(cè)作業(yè)是認(rèn)識(shí)月球、利用月球最直接有效的手段。

開展載人月球探測(cè)是發(fā)展并掌握地外天體載人探測(cè)能力的有利途徑，載人月球探測(cè)、建立長(zhǎng)期月球科研基地也是世界各航天強(qiáng)國(guó)的探測(cè)熱點(diǎn)目標(biāo)。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[1]。

迄今，有人參與的月面活動(dòng)只有阿波羅登月的6次活動(dòng)，主要采用了“航天員+航天服+登月艙”的配置方案，在后期任務(wù)中加入了載人月球車。阿波羅計(jì)劃中沒(méi)有配置月面機(jī)器人，隨著機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步，在各國(guó)的探月規(guī)劃中[2-3]，月面機(jī)器人成為月面活動(dòng)設(shè)施中重要的組成部分。

使用云天化鎂立硼、硝銨磷復(fù)合肥的示范田與對(duì)照田比較，前期長(zhǎng)勢(shì)不是特別明顯，根系較對(duì)照田的更發(fā)達(dá)，中后期長(zhǎng)勢(shì)不脫肥，抗病能力強(qiáng)，特別是農(nóng)戶說(shuō)往年出現(xiàn)爛根，而今年沒(méi)有爛根。

針對(duì)有人參與的月面活動(dòng)，本文介紹已開展或規(guī)劃的月面活動(dòng)，提出我國(guó)開展月面活動(dòng)的設(shè)想，論證月面活動(dòng)不同發(fā)展階段對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的任務(wù)及能力需求，并提出各階段機(jī)器人配置設(shè)想，分析月面機(jī)器人系統(tǒng)發(fā)展需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

2 載人月球探測(cè)任務(wù)對(duì)月面機(jī)器人系統(tǒng)的需求

在未來(lái)有人參與的月面活動(dòng)中，月面機(jī)器人將是月面駐留與活動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分之一，其具有工作時(shí)間長(zhǎng)、任務(wù)豐富、安全性高、極端環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠輔助或協(xié)同航天員開展巡視探測(cè)、采樣分析、物資搬運(yùn)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、維修維護(hù)以及設(shè)施建造等月面任務(wù)。

在有人參與的月面活動(dòng)中，配置機(jī)器人系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是明顯的，載人月球探測(cè)任務(wù)對(duì)月面機(jī)器人系統(tǒng)的任務(wù)及功能需求主要體現(xiàn)在4個(gè)方面：提高航天員的效能、極端復(fù)雜環(huán)境的預(yù)先探測(cè)、長(zhǎng)時(shí)間自主值守、提高航天員安全性。

2.1 提高航天員工作效能

阿波羅計(jì)劃在月面的活動(dòng)主要由航天員完成，主要包括月面物資搬運(yùn)、月面采樣作業(yè)、月面設(shè)施安裝、月面拍攝、月面科學(xué)試驗(yàn)等[4]，6次月面活動(dòng)時(shí)間共計(jì)79 h 52 min。

月面機(jī)器人主要作用是提高航天員的工作效能，從阿波羅已開展的月面活動(dòng)看，月面機(jī)器人可通過(guò)替代、協(xié)作等方式分擔(dān)航天員的工作量，見表1，降低航天員出艙或遠(yuǎn)距離作業(yè)的次數(shù)，減少航天員重復(fù)性及準(zhǔn)備性活動(dòng)，將航天員有限的月面駐留時(shí)間投入到更具智慧性的作業(yè)活動(dòng)中。

化工工業(yè)園區(qū)的發(fā)展離不開嚴(yán)格的安全環(huán)保管理制度。據(jù)工業(yè)區(qū)發(fā)展有限公司董事長(zhǎng)孫莉軍介紹，幾年前，工業(yè)區(qū)曾為化工企業(yè)產(chǎn)生的廢氣廢水?dāng)_民、污染環(huán)境而深感頭痛。通過(guò)3年環(huán)境綜合整治，工業(yè)區(qū)關(guān)停了44家小化工企業(yè)，使經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境質(zhì)量改善呈現(xiàn)兩升三降的良好態(tài)勢(shì)，即工業(yè)產(chǎn)值年均增長(zhǎng)21%，稅收年均增長(zhǎng)17%；環(huán)境信訪量年均下降36%，萬(wàn)元產(chǎn)值能耗年均下降13%，區(qū)域VOCs排放量比2016年下降17.6%。經(jīng)過(guò)艱辛努力，通過(guò)執(zhí)行一整套行之有效的管理制度，一定程度上解決了長(zhǎng)期困擾工業(yè)區(qū)發(fā)展的環(huán)境問(wèn)題?！皩?duì)于化工園區(qū)來(lái)說(shuō)，安全環(huán)保永遠(yuǎn)在路上?！睂O莉軍如是說(shuō)。

2.2 極端復(fù)雜環(huán)境的預(yù)先探測(cè)

隨著月球探測(cè)活動(dòng)的深入，各國(guó)將探測(cè)的目的地瞄準(zhǔn)了月球極區(qū)。月球極區(qū)相對(duì)于中低緯地區(qū)存在大量撞擊坑，地形環(huán)境更加崎嶇，溫度更低；對(duì)于有科學(xué)研究及工程應(yīng)用價(jià)值的陰影區(qū)、熔洞[5](圖1)等地形，由于沒(méi)有光照，環(huán)月探測(cè)的先驗(yàn)信息更少。為了提高航天員作業(yè)的安全性及可靠性，機(jī)器人可對(duì)航天員探測(cè)的路線進(jìn)行預(yù)先巡視，排除探測(cè)路線中的危險(xiǎn)因素，并提供收集航天員高安全、高產(chǎn)出地完成后續(xù)任務(wù)的地形、環(huán)境、科學(xué)探測(cè)目標(biāo)等重要信息。

圖1 月面熔洞與地球熔洞參照?qǐng)D[5]Fig.1 Lunar pit and the reference in earth[5]

表1 機(jī)器人與航天員聯(lián)合系統(tǒng)月面作業(yè)建議Table 1 Suggestion on lunar operation for the robot and astronaut system

2.3 長(zhǎng)時(shí)間自主值守

航天員返回階段后，機(jī)器人可替代航天員開展持續(xù)性的科學(xué)試驗(yàn)、維修維護(hù)、物資回收、值守監(jiān)測(cè)等作業(yè)任務(wù)，增強(qiáng)及鞏固載人月球探測(cè)的成果及效益，使月面駐留與活動(dòng)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間有效健康運(yùn)行。

2.4 提高航天員安全性

在航天員在月面艙外工作時(shí)，機(jī)器人移動(dòng)伴隨航天員，在航天員發(fā)生緊急情況時(shí)，機(jī)器人可對(duì)航天員開展輔助、救援和應(yīng)急運(yùn)輸返回的操作。

3 航天機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 航天器艙外工作的機(jī)器人

國(guó)際空間站(ISS)是目前空間機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用較多、較成功的應(yīng)用領(lǐng)域，配備了加拿大機(jī)械臂SSRMS(Robotic Systems for the International Space Station)、日本實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂JEMRMS(Japanese Experiment Module Remote Manipulator System)、靈巧機(jī)械手SPDM(Special Purpose Dexterous Manipulator)、機(jī)器人航天員Robonaut2等機(jī)器人系統(tǒng)，形成了大中小多規(guī)格、艙內(nèi)外全范圍、工程應(yīng)用與技術(shù)驗(yàn)證并重的立體化配置格局[6]。機(jī)器人系統(tǒng)主要用于空間站組裝、貨物搬運(yùn)、載荷照料、艙內(nèi)外巡視、航天員輔助作業(yè)等活動(dòng)，大大減輕了航天員出艙風(fēng)險(xiǎn)，減輕了航天員的工作壓力，提高了在軌作業(yè)活動(dòng)的效率。2011年，國(guó)際空間站的機(jī)器人系統(tǒng)開展了機(jī)器人燃料加注演示任務(wù)(Robotic Refueling Mission，RRM)，實(shí)驗(yàn)中靈巧機(jī)械臂SPDM利用4個(gè)特制的RRM工具(圖2)，演示全套的衛(wèi)星維修和燃料加注任務(wù)，包括切割和操縱防護(hù)毯及電纜線、擰開防護(hù)蓋和接通閥門、傳輸液體等復(fù)雜操作[7]。

圖2 機(jī)器人在軌加注任務(wù)(RRM)[7]Fig.2 The robotic refueling mission[7]

我國(guó)空間站在建造階段將配備核心艙、實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂2套機(jī)器人系統(tǒng)，核心艙機(jī)械臂主要用來(lái)完成空間站艙段轉(zhuǎn)位與輔助對(duì)接、懸停飛行器捕獲與輔助對(duì)接、支持航天員出艙活動(dòng)(EVA)等[8]，實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂主要用以暴露載荷照料、光學(xué)平臺(tái)照料、載荷搬運(yùn)、支持航天員EVA等活動(dòng)[9]。

3.2 獨(dú)立行走探測(cè)的星表機(jī)器人

月球探測(cè)及火星探測(cè)中的星表巡視器也是典型的移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，如蘇聯(lián)的月球車、我國(guó)的嫦娥三號(hào)巡視器“玉兔號(hào)”、嫦娥四號(hào)巡視器“玉兔二號(hào)”，以及火星巡視器如“索杰娜”、“勇氣號(hào)”、“機(jī)遇號(hào)”及“好奇號(hào)”等[10]。該類星表巡視器主要通過(guò)攜帶的工程設(shè)備或科學(xué)載荷開展作業(yè)，以實(shí)現(xiàn)設(shè)定的科學(xué)目標(biāo)與工程目標(biāo)。巡視器主要通過(guò)遠(yuǎn)程遙操作或局部自主實(shí)現(xiàn)控制。

美國(guó)的“好奇號(hào)”火星巡視器(圖3)是目前最復(fù)雜的星球車，其設(shè)計(jì)行程遠(yuǎn)、續(xù)航能力強(qiáng)、樣本采集能力強(qiáng)、任務(wù)復(fù)雜、配置了多樣的科學(xué)儀器[11]。其沿用了經(jīng)典的六輪搖臂式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，可翻越約65～75 cm高的障礙物，在平整堅(jiān)硬的地面上行駛的最高速度可達(dá)到46 mm/s，為保證安全平均速度低于10 mm/s。其具備樣本獲取、樣本處理和傳遞系統(tǒng)(Sample Acquisition/Sample Processing and Handling System，SA/SPaH)[12]，一個(gè)2 m長(zhǎng)5DOF的機(jī)械臂能夠操縱安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上的工具和5個(gè)科學(xué)儀器，包括取樣鉆機(jī)、取樣勺、取樣篩分分組裝置、除塵工具、阿爾法粒子X射線分光儀、手持透鏡成像儀。

圖3 “好奇號(hào)”火星巡視器[11]Fig.3 The Mars rover curiosity[11]

對(duì)于獨(dú)立行走探測(cè)的星表機(jī)器人，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)也提出了較多新型機(jī)器人方案，如圖4，此類機(jī)器人突破了傳統(tǒng)“車”的概念，特別適應(yīng)月面復(fù)雜極端的地形環(huán)境探測(cè)。

圖4 新型星表行走探測(cè)機(jī)器人方案Fig.4 Novel mobile robots for planetary exploration

3.3 面向人機(jī)協(xié)作的空間機(jī)器人

人-機(jī)-環(huán)境共融的機(jī)器人是目前地面機(jī)器人研究和發(fā)展的熱點(diǎn)，面向與航天員協(xié)作的機(jī)器人也是空間機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)之一。

NASA研制的第2代機(jī)器人航天員Robonaut2[19-20]是典型的人機(jī)協(xié)作機(jī)器人，其在國(guó)際空間站進(jìn)行了技術(shù)驗(yàn)證，同時(shí)為應(yīng)對(duì)出艙服務(wù)為機(jī)器人升級(jí)了雙腿的移動(dòng)系統(tǒng)(IVA Mobility system)。俄羅斯也研制了仿人機(jī)器人SAR-401[21]，計(jì)劃面向國(guó)際空間站內(nèi)部及外部操作應(yīng)用。仿人的Rollin′Justin機(jī)器人[22]、具有多種運(yùn)動(dòng)模式的仿黑猩猩機(jī)器人[23]、四足仿生移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人[24]等為發(fā)展面向人機(jī)協(xié)作的空間機(jī)器人提供了有益的思路，見圖5。

4.3.1 航天員移動(dòng)伴隨及應(yīng)急救援

從載人航天空間站、月球探測(cè)、火星探測(cè)中機(jī)器人開展的活動(dòng)來(lái)看，當(dāng)前機(jī)器人系統(tǒng)的技術(shù)水平已具備了開展較豐富月面活動(dòng)的能力[25]，在操作、移動(dòng)、控制等方面具有了較好的工程基礎(chǔ)；在有人參與的月面活動(dòng)中，按照當(dāng)前人機(jī)協(xié)作的技術(shù)發(fā)展思路，航天員與機(jī)器人組成的人機(jī)聯(lián)合探測(cè)系統(tǒng)，將提升航天員的作業(yè)效益，同時(shí)也將豐富機(jī)器人的作業(yè)能力。

4 月面機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)想

4.1 月面活動(dòng)發(fā)展設(shè)想

機(jī)器人和自動(dòng)化系統(tǒng)是航天員的感官和肢體的擴(kuò)展和延伸，可以顯著提升航天員的工作效率和效能。在登月前無(wú)人驗(yàn)證階段、航天員首次登月階段、月球站建設(shè)階段對(duì)月面機(jī)器人均有較強(qiáng)的配置需求。

按照月面機(jī)器人的應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行劃分，月面活動(dòng)可設(shè)想為3個(gè)階段：

1)機(jī)器人探測(cè)準(zhǔn)備階段。在載人月球探測(cè)任務(wù)的初期，應(yīng)首要驗(yàn)證月面著陸返回能力，先期部署月面設(shè)備，為載人任務(wù)做準(zhǔn)備?？衫脽o(wú)人著陸上升器飛行試驗(yàn)的機(jī)會(huì)部署機(jī)器人系統(tǒng)，由機(jī)器人系統(tǒng)提前收集重要數(shù)據(jù)資料，提前準(zhǔn)備航天員活動(dòng)設(shè)施及工具，提前驗(yàn)證關(guān)鍵技術(shù)。

圖5 面向人機(jī)協(xié)作的機(jī)器人示例Fig.5 Some examples of Tri-Co robots

2)支持航天員首次登月聯(lián)合作業(yè)階段。在載人月球探測(cè)任務(wù)的中期，主要目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)首次載人月球探測(cè)，后續(xù)建立月球?qū)嶒?yàn)室，實(shí)現(xiàn)航天員短期的月面駐留。此階段機(jī)器人系統(tǒng)將圍繞航天員開展航天員月面活動(dòng)保障、人機(jī)聯(lián)合探測(cè)，提高航天員作業(yè)效率及安全性。

3)月面科研站建設(shè)階段。在載人月球探測(cè)任務(wù)的遠(yuǎn)期，主要目標(biāo)為依靠月面資源支持實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期駐月，建立月球站居住設(shè)施、月面電站、月面實(shí)驗(yàn)室等設(shè)施，開展長(zhǎng)期的月面科研實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。此階段機(jī)器人系統(tǒng)主要用于資源開發(fā)、月面制造、設(shè)施建造、月面試驗(yàn)等。

4.2 機(jī)器人先導(dǎo)巡視探測(cè)

4.2.1 著陸區(qū)域巡視詳查

為了保證航天員首次登月的安全性及提升首次任務(wù)的效益，月面機(jī)器人開展航天員登月區(qū)域的預(yù)先巡視詳查，獲取著陸區(qū)詳細(xì)的數(shù)據(jù)信息，建立三維地形。機(jī)器人需具備非結(jié)構(gòu)化地形高效移動(dòng)能力，如通過(guò)輪式、足式、輪足復(fù)合式等新型機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在月面地形的行走移動(dòng)；機(jī)器人需具備自主導(dǎo)航及路徑規(guī)劃能力，可建立著陸點(diǎn)附近的高精度三維地圖，預(yù)先探索后續(xù)航天員的探測(cè)路線；機(jī)器人的主要活動(dòng)區(qū)域可為中低緯地區(qū)或南極地區(qū)，可完成選址區(qū)域方圓數(shù)公里范圍多個(gè)預(yù)選地點(diǎn)的地形探測(cè)。

4.2.2 機(jī)器人采樣

機(jī)器人需具備樣本的識(shí)別能力，可通過(guò)自主測(cè)量或地面遠(yuǎn)程判斷篩選有價(jià)值的樣本；機(jī)器人具備采用工具對(duì)不同幾何尺寸特征的樣本進(jìn)行采集能力，采集手段包括抓取、鏟取、鉆取、敲擊等，這對(duì)采樣工具的設(shè)計(jì)及機(jī)器人對(duì)工具的使用均提出了較高的要求；機(jī)器人需具備樣本轉(zhuǎn)移能力，包括轉(zhuǎn)移至著陸上升器容器或臨時(shí)集中點(diǎn)。機(jī)器人采集月巖、月壤等樣本，若有返回器，機(jī)器人可裝載返回器帶回；采集樣本也可集中存儲(chǔ)，供載人任務(wù)時(shí)航天員集中帶回；機(jī)器人可清理預(yù)選著陸區(qū)，清除小型巖石障礙。

4.2.3 航天員工具及設(shè)施的預(yù)先布置

其次，教師應(yīng)該在教學(xué)過(guò)程中突出學(xué)生的主體地位?？梢詫W(xué)生分成學(xué)習(xí)小組，引導(dǎo)學(xué)生針對(duì)某一案例進(jìn)行討論，讓學(xué)生真正參與到學(xué)習(xí)中來(lái)。教師和學(xué)生之間的交流溝通越多，就越能夠提升學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，有利于提升課堂教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)學(xué)生的健康發(fā)展。

機(jī)器人可從著陸上升器卸載物資，支持后續(xù)載人任務(wù)；提前在后續(xù)載人任務(wù)預(yù)選點(diǎn)布置設(shè)備，包括通信天線、導(dǎo)航信標(biāo)、能源、光源、航天員作業(yè)工具等。機(jī)器人具備對(duì)物資、設(shè)備及工具的解鎖、抓取、轉(zhuǎn)運(yùn)、展開、組裝、調(diào)試的能力。

4.2.4 制氧、原位資源利用等技術(shù)先期驗(yàn)證

無(wú)人驗(yàn)證階段可對(duì)后續(xù)任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行先期驗(yàn)證。機(jī)器人可開展技術(shù)驗(yàn)證載荷的卸載、投放、展開、安裝、調(diào)試，如制水、原位制氧、月壤燒結(jié)、原位資源3D打印、月面材料長(zhǎng)壽命生存等小樣本先期實(shí)驗(yàn)載荷。為完成此類操作，機(jī)器人需具備對(duì)載荷設(shè)備的解鎖、抓取、轉(zhuǎn)運(yùn)的能力，具備對(duì)科學(xué)儀器開展組裝、調(diào)試、精細(xì)操作的能力。

4.3 支持航天員首次登月聯(lián)合作業(yè)

“我媽去世以后，我爸爸的生活明顯凄涼了很多。上次見他，衣服上的扣子都掉了幾個(gè)。要是我媽活著不至于這樣，很心酸?！保–2,女，36歲）

機(jī)器人具備對(duì)航天員識(shí)別、自主導(dǎo)航、移動(dòng)跟隨的能力，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)航天員實(shí)時(shí)自主的伴隨；具備視覺跟蹤能力，通過(guò)視覺對(duì)航天員識(shí)別和云臺(tái)的跟蹤控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)航天員作業(yè)過(guò)程的實(shí)時(shí)拍攝；具備設(shè)備、載荷、工具等運(yùn)輸?shù)某休d能力，具備運(yùn)輸航天員的負(fù)載能力。機(jī)器人可移動(dòng)伴隨航天員，對(duì)移動(dòng)員移動(dòng)作業(yè)提供保障支持，對(duì)航天員作業(yè)過(guò)程進(jìn)行拍攝記錄，對(duì)航天員工具、設(shè)備進(jìn)行運(yùn)輸，緊急情況下可運(yùn)輸航天員返回。

4.3.2 人機(jī)聯(lián)合作業(yè)

1.2.3 供試品溶液的制備 精密稱取NOR、OFL、TC、OTC、SDZ、SMZ對(duì)照品適量，用自然水(已用5 mol/L HCl調(diào)節(jié)pH至3.0左右)分別稀釋制成1.0、2.0、2.0、3.0、1.0、1.0 mg/mL的樣品貯備液。分別精密量取上述樣品貯備液各1 mL于50 mL容量瓶中，加自然水30 mL，用測(cè)試用緩沖溶液定容至刻線，搖勻，用0.22 μm微孔濾膜過(guò)濾即得。臨用前配制，超聲處理10 min。

機(jī)器人可與航天員開展聯(lián)合采樣、科學(xué)試驗(yàn)、維修維護(hù)等作業(yè)。該需求對(duì)機(jī)器人的協(xié)作性提出了較高的要求，機(jī)器人應(yīng)具備類似航天員的作業(yè)空間和作業(yè)能力，與航天員在同一現(xiàn)場(chǎng)協(xié)同作業(yè)的安全性較高。

4.3.3 機(jī)器人局部自主作業(yè)

夏天呆呆地坐在那里，他害怕失去奶奶，從小到大，奶奶就是他的天就是他的地，奶奶教會(huì)了他一切，教他像一個(gè)正常人那樣穿衣吃飯說(shuō)話，甚至讓他讀書上學(xué)，他還學(xué)會(huì)了調(diào)琴?，F(xiàn)在奶奶要走了，他的世界一下子坍塌了，奶奶領(lǐng)他走到了光明的入口，就要掙開他死死牽著的手，他覺得世界一下子又黑暗了，那些高樓、那些樹木、那些街道、那些五彩的陽(yáng)光和云朵，還有人群……那些因?yàn)槟棠潭鴺?gòu)造起來(lái)的世界，也要隨奶奶走了，它們就要被風(fēng)吹散了，或者轟隆一聲向他傾倒過(guò)來(lái)。

測(cè)量并記錄兩組患者HbAlc(糖化血紅蛋白)、FPG（空腹血糖）、2 hPG（餐后 2 h 血糖）[3]。

綜上，機(jī)器人支持航天員首次登月聯(lián)合作業(yè)階段的任務(wù)場(chǎng)景及典型任務(wù)如圖6所示。

圖6 支持航天員首次登月聯(lián)合作業(yè)階段設(shè)想Fig.6 Conception of the first astronaut-robot joint exploring mission

4.4 月面科研站建設(shè)任務(wù)

機(jī)器人主要圍繞月面科研站建設(shè)開展資源開采、設(shè)施建造、設(shè)備維修等主線任務(wù)(圖7)，同時(shí)可根據(jù)需求靈活配置小型機(jī)器人系統(tǒng)開展極端地形探測(cè)及艙內(nèi)值守等支線任務(wù)。

圖7 月面科研站建設(shè)任務(wù)Fig.7 Construction tasks of lunar scientific and research station

4.4.1 月面設(shè)施的建設(shè)、組裝、3D打印

利用月面作業(yè)機(jī)器人開展航天員居住設(shè)施的建造與組裝，包括建造原材料的采集、建筑用磚的制備、3D打印、居住艙的建造、居住艙內(nèi)部設(shè)備的布置及安裝；利用月面作業(yè)機(jī)器人開展太陽(yáng)電池陣列組裝，建設(shè)太陽(yáng)能電站；利用月面作業(yè)機(jī)器人建設(shè)月基通用中繼平臺(tái)，建立月面通信與組網(wǎng)。

4.4.2 月面資源采集、開采和利用

首先，從《試點(diǎn)辦法》第5條第2款的規(guī)定來(lái)看，值班律師的工作場(chǎng)所是法院和看守所。長(zhǎng)此以往，值班律師同法院和看守所的工作人員可能會(huì)形成一種一榮俱榮、一損俱損的利益共同體關(guān)系。在這樣一種休戚與共的環(huán)境之中，如果不將值班律師定位為犯罪嫌疑人、被告人利益的維護(hù)者(辯護(hù)人)，那么值班律師很有可能將自己視為為國(guó)家服務(wù)的“國(guó)家法律工作者”，從而盡力去配合公安司法機(jī)關(guān)對(duì)認(rèn)罪認(rèn)罰案件的處理，這時(shí)的值班律師實(shí)際上充當(dāng)了辦案人員說(shuō)客的角色。如果這樣，就會(huì)對(duì)本處于弱勢(shì)一方的被告人的訴訟地位更加不利。

月面原位資源開發(fā)、利用是未來(lái)地月空間開發(fā)和月球基地建設(shè)的必要手段，可利用月面自主采礦作業(yè)機(jī)器人開展月面原位資源的挖掘、收集及利用，如氦-3(He-3)等。

4.4.3 月面系統(tǒng)的精細(xì)化維修

機(jī)器人可開展居住艙、著陸上升器、載人月球車、能源通信等月面科研站設(shè)施的日常檢測(cè)、維修與維護(hù)。在月球基地?zé)o人狀態(tài)下，機(jī)器人可開展基地的維護(hù)與值守。

分別以G40滬陜高速公路、G2京滬高速公路中的某互通為研究實(shí)例，對(duì)3路和4路相交互通增設(shè)匝道的具體設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)分析：

4.4.4 極端地形環(huán)境探測(cè)

5)在不同的階段可擇機(jī)靈活搭載多種不同類型的小型極端地形探測(cè)機(jī)器人，用于開展月面極端地形探測(cè)或執(zhí)行特殊任務(wù)，以擴(kuò)展月面機(jī)器人的作業(yè)范圍及作業(yè)尺度。

4.4.5 艙內(nèi)陪伴及值守

為解決月球基地航天員長(zhǎng)期駐留的心理健康問(wèn)題，可配置具備情感生成、表達(dá)和行為規(guī)劃能力的陪伴值守機(jī)器人。面向月球長(zhǎng)期駐留，艙內(nèi)陪伴及值守機(jī)器人也可以在無(wú)人期間開展居住艙艙內(nèi)的維修、維護(hù)、長(zhǎng)期值守。

4.5 各階段機(jī)器人配置設(shè)想

針對(duì)月面機(jī)器人在各階段的任務(wù)需求，按照有限規(guī)模、多功能集成的原則，各階段機(jī)器人的配置設(shè)想如下(圖8)：

1)在機(jī)器人先導(dǎo)巡視探測(cè)階段，配置1～2套多功能集成的探測(cè)作業(yè)類月面機(jī)器人系統(tǒng)，主要按不同著陸地區(qū)配置，目前的規(guī)模1次1個(gè)機(jī)器人比較合適，布置于中低緯地區(qū)或極區(qū)，主要定位于著陸及作業(yè)區(qū)域中遠(yuǎn)程范圍的巡視詳查作業(yè)；

開口鋼管樁在成樁過(guò)程中形成土塞，其承載力性能很大程度上受土塞效應(yīng)影響。結(jié)合以上研究分析，考慮土塞與管樁內(nèi)壁的摩阻力及樁端土承載力，提出了管樁承載力的表達(dá)式：

圖8 不同發(fā)展階段月面機(jī)器人配置設(shè)想Fig.8 The conception of robot configuration in each stage

2)在支持航天員首次登月聯(lián)合作業(yè)階段，配置1～2套多功能集成的服務(wù)作業(yè)類月面機(jī)器人，主要定位于配合航天員輔助作業(yè)、聯(lián)合作業(yè)及安全保障支持；

3)在月面科研站建設(shè)階段，可配置多個(gè)建造工程類月面機(jī)器人，主要用于月面工程作業(yè)及長(zhǎng)期基地的建造；

4)在提高機(jī)器人月面壽命的前提下，在不同階段配置的機(jī)器人可組成多機(jī)器人系統(tǒng)協(xié)同作業(yè)，提高作業(yè)的復(fù)雜度及效率；

機(jī)器人作為航天員肢體的延伸，開展極端復(fù)雜地形內(nèi)的巡視、作業(yè)；機(jī)器人具備月面極端地形適應(yīng)能力(月坑、崖壁、陡坡、溶洞、多障礙物環(huán)境等)。

4.6 各階段機(jī)器人方案設(shè)想

預(yù)制光纜采用預(yù)制艙內(nèi)集中配線方式時(shí)，由于集中轉(zhuǎn)屏柜的預(yù)制光纜根數(shù)較多，若直接將光纜余長(zhǎng)收納在屏柜周邊光纜槽盒內(nèi)或集中轉(zhuǎn)屏柜下方，對(duì)空間要求較大，且日后檢修、維護(hù)困難。針對(duì)該問(wèn)題的余長(zhǎng)收納方案有兩種：

4.6.1 月面探測(cè)作業(yè)機(jī)器人

探測(cè)作業(yè)機(jī)器人主要開展著陸區(qū)域巡視詳查、復(fù)雜地形先期探測(cè)、資源探測(cè)、采樣、航天員工具及設(shè)施的預(yù)先布置等任務(wù)。

武漢市博物館館藏重器，是武漢近郊盤龍城出土的青銅大圓鼎，它的出土，對(duì)研究我國(guó)商代前期青銅鑄造工藝的發(fā)展水平具有重大意義。

根據(jù)對(duì)任務(wù)及功能要求的分析，結(jié)合機(jī)器人發(fā)展的水平，探測(cè)作業(yè)機(jī)器人的能力及指標(biāo)為：機(jī)器人質(zhì)量不大于150 kg，探測(cè)距離優(yōu)于10 km；移動(dòng)能力速度優(yōu)于1 km/h，越障高度優(yōu)于0.5 m，爬坡坡度優(yōu)于30°；具備自主導(dǎo)航能力，導(dǎo)航實(shí)時(shí)性優(yōu)于1 s，地圖范圍優(yōu)于50×50 m，地形識(shí)別準(zhǔn)確率優(yōu)于95%；具備抓取目標(biāo)的目標(biāo)感知能力，位置精度優(yōu)于1 mm@1 m，姿態(tài)精度優(yōu)于3°；具備月面通信和對(duì)地、對(duì)月球軌道站、載人月球車、航天員、著陸器、中繼星等設(shè)施的通信能力；配置太陽(yáng)翼或電池自行解決能源供給問(wèn)題，并可對(duì)載荷供配電。

對(duì)于探測(cè)作業(yè)機(jī)器人，其側(cè)重于中遠(yuǎn)程范圍的高效巡視作業(yè)。本文提出的探測(cè)作業(yè)機(jī)器人方案(圖9)設(shè)想如下：

圖9 探測(cè)作業(yè)機(jī)器人設(shè)想Fig.9 Conception of lunar exploration robot

1)探測(cè)作業(yè)機(jī)器人移動(dòng)具有多種實(shí)現(xiàn)方案(表2)，本文選擇了融合腿式地形適應(yīng)能力和輪式高速高效性能的輪腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)；腿數(shù)選擇具有冗余度和高速靜態(tài)行走能力的六足形式，可實(shí)現(xiàn)在月面復(fù)雜地形的高效行走；

2)操作系統(tǒng)配置5～6 DOF機(jī)械臂及可切換的末端作業(yè)工具，實(shí)現(xiàn)樣品收集及載荷設(shè)備操作等作業(yè)；

3)導(dǎo)航系統(tǒng)采用雙目相機(jī)、避障相機(jī)、激光雷達(dá)、慣性組件等多傳感器進(jìn)行自主導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)三維地圖創(chuàng)建；

4)有效載荷系統(tǒng)攜帶支持后續(xù)載人任務(wù)的信標(biāo)、通信、能源等工程載荷設(shè)備，以及配置水冰探測(cè)、制氧驗(yàn)證、原位資源利用驗(yàn)證等科學(xué)載荷等；

5)人機(jī)交互系統(tǒng)主要布置于地球端，可以遙操作控制遠(yuǎn)端的月面機(jī)器人。

航天員返回后，機(jī)器人通過(guò)遠(yuǎn)程遙操作控制或局部自主，開展持續(xù)性的科學(xué)試驗(yàn)、維修維護(hù)、物資回收等作業(yè)，鞏固及增強(qiáng)首次載人登月的成果及效益。機(jī)器人應(yīng)提高智能化及自主水平，具備在任務(wù)級(jí)指令的控制下開展局部自主作業(yè)的能力，操作精細(xì)靈巧，作業(yè)功能多樣。

表2 機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)比較Table 2 Comparison of robot mobile mechanisms

4.6.2 月面服務(wù)作業(yè)月面機(jī)器人

服務(wù)作業(yè)機(jī)器人主要開展航天員伴隨、移動(dòng)輔助任務(wù)，開展航天員工具、設(shè)備運(yùn)輸任務(wù)，開展與航天員采樣、維修維護(hù)、科學(xué)試驗(yàn)等聯(lián)合作業(yè)的任務(wù)。

4)有效載荷主要配置用于采樣、維修維護(hù)、聯(lián)合作業(yè)的末端載荷或機(jī)載載荷；

根據(jù)各階段機(jī)器人配置的設(shè)想，本文對(duì)各階段的機(jī)器人進(jìn)行了初步概念設(shè)計(jì)。

林泰安給人家寫了不少狀紙，得罪了一些人，后來(lái)就有人給族長(zhǎng)傳話，說(shuō)他不是林家后代，而是他母親娘家的人，是戴家的子孫。

對(duì)于服務(wù)作業(yè)機(jī)器人，其側(cè)重可輔助、聯(lián)合及替代航天員的靈巧協(xié)作操作作業(yè)能力，本文提出的服務(wù)作業(yè)機(jī)器人方案(圖10)設(shè)想如下：

1)機(jī)器人采用“仿人上肢+移動(dòng)基座”的基本配置思路，機(jī)器人上肢體型與身穿航天服的航天員的相似，方便人機(jī)系統(tǒng)可共享使用航天員的工作空間及工具，保證機(jī)器人對(duì)于航天員的可替代性；且對(duì)于構(gòu)型及操作特點(diǎn)類似航天員的雙臂擬人機(jī)器人，航天員可以更自然、直觀的方式進(jìn)行交互；機(jī)器人上肢由兩條7自由度的手臂、五指靈巧手或?qū)Ｓ霉ぞ摺?自由度頸部、2自由度腰部、作為傳感器平臺(tái)的頭部、軀干部分(內(nèi)置機(jī)器人的核心處理器)等組成；

2)移動(dòng)基座可采用輪式或足式機(jī)構(gòu)，鑒于上肢結(jié)構(gòu)已具有較多自由度，為降低系統(tǒng)復(fù)雜程度，采用4輪式移動(dòng)底座；

3)導(dǎo)航系統(tǒng)在探測(cè)作業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)上，增加航天員的肢體識(shí)別與運(yùn)動(dòng)跟蹤能力，實(shí)現(xiàn)航天員的安全規(guī)避及自然跟隨；

根據(jù)對(duì)任務(wù)及功能要求的分析，結(jié)合機(jī)器人發(fā)展的水平，服務(wù)作業(yè)機(jī)器人的能力及指標(biāo)為：機(jī)器人質(zhì)量不大于150 kg；機(jī)器人具備與航天員相當(dāng)?shù)牟僮髂芰Γ晒蚕砗教靻T的操作空間及操作工具，末端操作力≥10 kg，作業(yè)半徑≥1 m，末端操作精度優(yōu)于1 mm；可通過(guò)更換操作工具擴(kuò)展末端作業(yè)能力，配置包括抓取、采樣、鉆取等多類典型操作工具；機(jī)器人具備多模式交互方式，機(jī)器人具有與航天員協(xié)作的高安全性；具備月面通信和對(duì)地、對(duì)月球軌道站、載人月球車、航天員、著陸器等設(shè)施的通信能力；機(jī)器人能源由機(jī)器人系統(tǒng)自行解決，具備對(duì)載荷的供配電能力。

5)人機(jī)交互系統(tǒng)包括位于地面測(cè)控中心遙操作人員端及月面航天員2套設(shè)備，遙操作可控制遠(yuǎn)端的月面機(jī)器人，與機(jī)器人在同一現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的航天員也通過(guò)語(yǔ)音、手勢(shì)、交互設(shè)備等多模式手段與機(jī)器人自然直觀交互。

圖10 月面服務(wù)作業(yè)月面機(jī)器人設(shè)想Fig.10 Conception of lunar service robot

4.6.3 月面建造工程機(jī)器人

月面建造工程機(jī)器人主要定位于月面工程作業(yè)及長(zhǎng)期基地的建造，開展有人月球基地建設(shè)與維護(hù)、月面大型設(shè)施搬運(yùn)及組裝等任務(wù)，開展月面資源開采和利用等原位建造任務(wù)。

月面科研站建設(shè)階段月面活動(dòng)已形成一定規(guī)模，可根據(jù)任務(wù)的具體需求配置專業(yè)化的多類機(jī)器人系統(tǒng)，如大型空間機(jī)械臂、3D打印機(jī)器人、制磚機(jī)器人、采礦機(jī)器人等。

4.6.4 月面極端地形探測(cè)機(jī)器人

輕小型極端地形巡視作業(yè)機(jī)器人是月面探測(cè)作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的良好補(bǔ)充。對(duì)于月坑、陡坡、多障礙物環(huán)境等月面極端地形，配置極端地形巡視機(jī)器人可執(zhí)行月面極限位置的探測(cè)工作。根據(jù)對(duì)任務(wù)及功能要求的分析，月面極端地形探測(cè)機(jī)器人的能力及指標(biāo)為：機(jī)器人質(zhì)量不超過(guò)30 kg，攜帶載荷質(zhì)量不少于5 kg，可適應(yīng)月面特殊地形、極限溫度、月塵等環(huán)境。

月面極端地形探測(cè)機(jī)器人根據(jù)主任務(wù)或擴(kuò)展靈活搭載配置，并根據(jù)任務(wù)制定的科學(xué)目標(biāo)配置有效載荷，機(jī)器人平臺(tái)因地形的不同可選擇繩系機(jī)器人、滾動(dòng)機(jī)器人、多足仿生爬行機(jī)器人、彈跳機(jī)器人等，見圖11。

圖11 極端地形的探測(cè)機(jī)器人配置建議Fig.11 Configuration recommendations for lunar extreme-terrain robot

5 關(guān)鍵技術(shù)

5.1 機(jī)器人非結(jié)構(gòu)化地形移動(dòng)及自主導(dǎo)航

月面機(jī)器人在月球表面的移動(dòng)，需考慮多種月面特殊地形地貌的特點(diǎn)，如月海與類月海(大型撞擊盆地)、高地、山脈和峭壁、撞擊坑(包括撞擊環(huán)形坑、輻射線及與撞擊相關(guān)的隆起構(gòu)造)、月谷和月溪等。針對(duì)上述地形地貌的要求，需解決在特定構(gòu)型、多約束條件下的機(jī)器人高效移動(dòng)通過(guò)性問(wèn)題。目前一些新概念仿生機(jī)器人、輪腿式、可重構(gòu)、可折疊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想可考慮用于月面機(jī)器人，利用多模式移動(dòng)步態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)非結(jié)構(gòu)化地形的主動(dòng)適應(yīng)。

為提高月面機(jī)器人在月面移動(dòng)的自主性，機(jī)器人系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)高精度自主導(dǎo)航與定位，解決月面環(huán)境感知與識(shí)別、位置與姿態(tài)確定、自主智能路徑規(guī)劃的問(wèn)題(圖12)。對(duì)于環(huán)境感知與識(shí)別，機(jī)器人可通過(guò)導(dǎo)航相機(jī)、避障相機(jī)、激光雷達(dá)以及其他敏感器對(duì)機(jī)器人近距離范圍內(nèi)的地形進(jìn)行感知建模與同步建圖，識(shí)別障礙和危險(xiǎn)地形；可考慮基于天文、視覺、慣性等方法實(shí)現(xiàn)絕對(duì)位置、相對(duì)位置、姿態(tài)的高精度確定；機(jī)器人根據(jù)當(dāng)前的位置和姿態(tài)、近距離環(huán)境感知結(jié)果以及地面遙操作系統(tǒng)指定的遠(yuǎn)距離目標(biāo)點(diǎn)位置，進(jìn)行局部路徑點(diǎn)分解和局部路徑規(guī)劃，保證月面機(jī)器人安全到達(dá)遠(yuǎn)距離目標(biāo)點(diǎn)。

圖12 月面機(jī)器人自主導(dǎo)航與定位原理Fig.12 Principle of autonomous navigation and positioning for lunar robot

5.2 適用于月面多功能任務(wù)的精細(xì)靈巧操控技術(shù)

根據(jù)月面機(jī)器人多功能、多樣性、多環(huán)境作業(yè)的特點(diǎn)，月面機(jī)器人需要解決多功能操作執(zhí)行器如何集成化、通用化體系配置的問(wèn)題，提升操作執(zhí)行器精細(xì)化作業(yè)能力。如機(jī)器人在有限資源的約束下，末端工具可配置多指靈巧手及特殊工具兼顧通用化或?qū)Ｓ没枨?，并配置工具箱或工具塔用于切換或更換工具(圖13)。針對(duì)任務(wù)多樣性的要求，機(jī)器人的操作機(jī)構(gòu)需要能夠根據(jù)目標(biāo)載荷形狀、大小、慣量和運(yùn)動(dòng)方式的不同，解決相應(yīng)任務(wù)策略、操控方法、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、柔順控制等控制方面的問(wèn)題。

月面機(jī)器人是集成了移動(dòng)基座、臂、手、眼的復(fù)雜平臺(tái)，多自由度和多傳感器信息處理增加了計(jì)算和處理上的復(fù)雜程度，同時(shí)增大了系統(tǒng)的控制難度。為了提高移動(dòng)的快速性和穩(wěn)定性、操作的靈活性和安全性，需要根據(jù)任務(wù)特征與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等多種約束條件，解決機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)、臂、手、眼協(xié)同控制的問(wèn)題，提高作業(yè)的安全、效率，降低系統(tǒng)的功耗等。

圖13 機(jī)械臂與多功能工具箱示意Fig.13 Manipulator and multi-function toolbox

月面機(jī)器人通過(guò)搭載鉆取、挖掘等作業(yè)載荷可提升作業(yè)能力，機(jī)器人作為平臺(tái)需要解決載荷作業(yè)過(guò)程中作用力及力矩的保持及能量吸收、基座穩(wěn)定性等問(wèn)題，保證為載荷作業(yè)的完成提供較優(yōu)的平臺(tái)基礎(chǔ)條件。

5.3 人-機(jī)-物共享空間下的安全協(xié)作

“人機(jī)協(xié)作、人機(jī)共融”機(jī)器人的設(shè)計(jì)理念及相關(guān)技術(shù)，對(duì)于人機(jī)聯(lián)合作業(yè)的航天員-機(jī)器人系統(tǒng)具有良好的借鑒作用。在有人參與的月球探測(cè)活動(dòng)中，機(jī)器人與航天員需要在同一共享空間內(nèi)工作，需要解決航天員、機(jī)器人、載荷設(shè)備共享工作空間時(shí)的本質(zhì)高安全問(wèn)題，確保機(jī)器人工作時(shí)不給航天員及周邊有效載荷及平臺(tái)設(shè)備帶來(lái)安全威脅或隱患?？煽紤]開展剛?cè)嵋惑w化人機(jī)協(xié)作型機(jī)器人的設(shè)計(jì)，使得機(jī)器人與外界發(fā)生接觸時(shí)具有柔順適應(yīng)能力；可通過(guò)在機(jī)器人的連桿或驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)中引入彈性元件或柔性機(jī)構(gòu)，使得機(jī)器人具有高柔順性、良好的緩沖功能，如彈性串聯(lián)關(guān)節(jié)或可變剛度關(guān)節(jié)(圖14)；或通過(guò)關(guān)節(jié)空間的力矩控制使機(jī)器人獲得主動(dòng)的柔順性；或通過(guò)在機(jī)器人表面布置豐富的傳感器系統(tǒng)，如電子皮膚，讓機(jī)器人充分感知外部世界及時(shí)作出判斷及執(zhí)行決策。

圖14 串聯(lián)彈性關(guān)節(jié)技術(shù)原理Fig.14 Principle of tandem elastic joint

5.4 航天員行為意圖感知解碼及交互

在確保航天員安全的前提下，機(jī)器人需要能夠自主提高技能，實(shí)現(xiàn)與人自然直觀交互。對(duì)航天員而言，機(jī)器人不再是單純的作業(yè)工具，而是一個(gè)助理，二者緊密協(xié)調(diào)。需要解決機(jī)器人對(duì)航天員肢體的感知、對(duì)航天員行為意圖的預(yù)先理解及反應(yīng)式行為規(guī)劃的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)航天員對(duì)機(jī)器人知識(shí)傳授。解決途徑如通過(guò)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的碰撞檢測(cè)與避障算法實(shí)現(xiàn)反應(yīng)式行為規(guī)劃能力，通過(guò)基于多模態(tài)信息(人體姿態(tài)、多普勒效應(yīng)、牽引示教等)深度融合的人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)人的行為解碼及知識(shí)傳授與增強(qiáng)。

5.5 月面多機(jī)器人協(xié)同定位與控制

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)專門化，可大大提高機(jī)器人工作的可靠性，甚至完成單個(gè)機(jī)器人無(wú)法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜任務(wù)。多機(jī)器人協(xié)作時(shí)，需要解決多機(jī)互定位、多機(jī)通信、多機(jī)數(shù)據(jù)融合等關(guān)鍵問(wèn)題。多機(jī)器人均建立完整的導(dǎo)航與定位系統(tǒng)是不經(jīng)濟(jì)的，可考慮在多機(jī)器人系統(tǒng)間建立高可靠性、帶寬與能耗均衡配置通信網(wǎng)，通過(guò)融合無(wú)線通信網(wǎng)定位、慣性導(dǎo)航航位推算自主定位等方法實(shí)現(xiàn)作業(yè)區(qū)域內(nèi)分米級(jí)的多機(jī)器人定位技術(shù)體系。

5.6 機(jī)器人月面極端環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)

月球表面的極限溫度在+150～-180℃。對(duì)于月球極地地區(qū)，其溫度在-30～-180℃。對(duì)于月球極地的永久陰影區(qū)，典型環(huán)境溫度可能低于-203.15℃。針對(duì)上述極端溫度的挑戰(zhàn)，需要從適應(yīng)性設(shè)計(jì)、防護(hù)性設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)配置等方面解決機(jī)器人在極端深冷環(huán)境下的運(yùn)行與存活問(wèn)題。

月球表面月塵會(huì)加劇機(jī)器人機(jī)構(gòu)的磨損和堵塞，降低設(shè)備的氣密性，削弱散熱能力，降低光學(xué)設(shè)備的透光率。機(jī)器人的設(shè)備及載荷需解決月塵防護(hù)的問(wèn)題。

面向月面的長(zhǎng)期駐留及月球站建設(shè)，月面機(jī)器人系統(tǒng)還需進(jìn)一步提升可靠性和壽命，實(shí)現(xiàn)在月面極端環(huán)境條件下工作存活5～10年。

6 小結(jié)

月面機(jī)器人是未來(lái)載人月面探測(cè)系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，可保障航天員的安全，輔助航天員更高效、高產(chǎn)地完成月面作業(yè)任務(wù)，可開展更長(zhǎng)時(shí)間、更廣區(qū)域的月面作業(yè)。隨著當(dāng)前機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，月面機(jī)器人將在未來(lái)的月面活動(dòng)中發(fā)揮重要作用；人機(jī)協(xié)作探測(cè)是國(guó)際月球探測(cè)的潮流，也將是未來(lái)中國(guó)載人月面探測(cè)的亮點(diǎn)。

面向未來(lái)有人參與的月面探測(cè)，建議按照有限規(guī)模、多功能集成的原則，各階段循序漸進(jìn)配置巡視作業(yè)、服務(wù)作業(yè)、建造作業(yè)的機(jī)器人，逐步形成多機(jī)協(xié)作的機(jī)器人群系統(tǒng)，并解決月面機(jī)器人在系統(tǒng)、移動(dòng)、操作、感知、交互、環(huán)境適應(yīng)等方面的關(guān)鍵問(wèn)題。