星表移動探測機器人研究現(xiàn)狀綜述

張元勛，黃靖，韓亮亮

1. 重慶大學(xué) 航空航天學(xué)院，重慶 400044 2. 重慶大學(xué) 教育部深空探測聯(lián)合研究中心，重慶 400044 3. 上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109

宇宙的形成、地球的起源、生命的進化以及外星生命等科學(xué)問題，必須通過深空探測才能獲得答案。深空探測也將是21世紀人類進行空間資源開發(fā)與利用、空間科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新的重要途徑?？臻g機器人能夠在空間環(huán)境中生存并執(zhí)行探索、裝配、維護和服務(wù)等任務(wù)，在當前和未來的空間探測任務(wù)中發(fā)揮著重要作用。空間機器人的主要功能可分為兩類：空間探測和星球表面探測?？臻g探測操作包括在軌裝配、在軌檢查、在軌維護、在軌科學(xué)實驗操作等。星球表面探測操作包括表面巡視、科學(xué)規(guī)劃和感知、儀器部署和采樣操作等[1-4]。

自20世紀60年代以來，國外已研制了許多星表移動探測機器人。星表移動探測機器人的發(fā)展可分成以下幾個特殊階段[5]：

1) 20世紀60年代，美國與前蘇聯(lián)分別開發(fā)了載人與無人的月球探測器。

2) 20世紀80年代，NASA計劃為完成火星取樣返回任務(wù)建造大型探測器，但最終放棄了該計劃。

3) 20世紀90年代，陸續(xù)實施了小型的月球探測器和火星探測器的探測任務(wù)。

中國對星表移動探測機器人的研究始于20世紀末，目前已成功實施了2次月球環(huán)繞探測和2次月球著陸、巡視探測，并于2020年底實施月球采樣返回探測任務(wù)。在火星探測方面，2011年，中國自主研制了第1顆火星探測器“螢火一號”，由于其搭載的主探測器俄羅斯“土壤”號變軌失敗，使得中國的第1次火星探測任務(wù)夭折。2020年7月份，中國將自主實施第2次火星探測任務(wù)“天問一號”，一步實現(xiàn)對火星的環(huán)繞、著陸、巡視探測任務(wù)。

本文對美國、蘇聯(lián)/俄羅斯、中國等國家已發(fā)射的月球及火星探測機器人進行了梳理，對各國或相關(guān)的組織機構(gòu)研制的星表移動探測機器人原理樣機的研究情況進行了介紹及總結(jié)，并梳理了未來星表移動探測機器人的發(fā)展趨勢，以期為中國的星表移動探測機器人的發(fā)展提供參考。

1 星球探測機器人在軌試驗現(xiàn)狀

1.1 月球探測

月球是地球唯一的天然衛(wèi)星，是人類探索地球以外的必經(jīng)之路[6]?？v觀全球各國的月球探測，美國和前蘇聯(lián)在冷戰(zhàn)時投入最大，取得的成果也最多。目前，只有美國成功進行了6次載人月球探測，其余各國對月球的探測均為無人探測。截至2020年2月底，全世界共實施了116次無人月球探測任務(wù)[7]，實現(xiàn)了月球飛越、環(huán)繞、著陸、巡視和采樣返回探測，如表1所示。通過分析可知，無人月球探測平均成功率為49%。

月球探測機器人是適用于在復(fù)雜非結(jié)構(gòu)化月面環(huán)境中執(zhí)行探測任務(wù)的機器人，它是目前人類對月球進行近距離探測最直接有效的工具[8]。在月球探測機器人領(lǐng)域，美國、前蘇聯(lián)及中國均取得了一定的研究成果，圖1所示為成功在軌運行的月球探測機器人[9]。美國宇航員搭乘阿波羅載人月球車成功對月球進行了探測。前蘇聯(lián)的無人月球車Lunokhod1和Lunokhod2先后成功對月球進行了探測，其中，Lunokhod2月球車以39 km的總里程成為月球無人探測最遠行駛距離的月球車。中國通過實施嫦娥工程對月球的探測也取得了前所未有的成功，“玉兔二號”不僅是人類首個在月球背面執(zhí)行任務(wù)的月球探測機器人，而且也是人類在月面工作時間最長的月球車。截至2020年4月30日，“玉兔二號”已經(jīng)在月球上度過了17個月晝(483天)，累計行駛447.68 m，目前確認各設(shè)備狀態(tài)良好，工作正常。

表1 全球無人月球探測任務(wù)分類統(tǒng)計

圖1 月球探測機器人[9]Fig.1 Lunar exploration robots[9]

“玉兔號”和“玉兔二號”屬于姊妹月面巡視探測機器人(統(tǒng)稱為玉兔巡視器)，鑒于“玉兔號”在其第二月晝工作時出現(xiàn)的問題，“玉兔二號”在綜合電子和電纜部分進行了加強，并在地面開展了數(shù)千次的試驗驗證，使得“玉兔二號”成為目前世界上在軌工作時間最長的月球探測器。玉兔巡視器主要由綜合電子分系統(tǒng)、移動分系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)與機構(gòu)分系統(tǒng)、導(dǎo)航分系統(tǒng)等組成。圖2所示為玉兔巡視器移動分系統(tǒng)，由車輪、行進驅(qū)動機構(gòu)、轉(zhuǎn)向驅(qū)動機構(gòu)、差動機構(gòu)和左右搖臂等組成。由承載車體的差動機構(gòu)連接左右主搖臂，將巡視器本體重力載荷傳遞到搖臂，再通過驅(qū)動機構(gòu)和車輪，將載荷傳遞至月面。副搖臂可繞主搖臂上的鉸鏈轉(zhuǎn)動，左右主搖臂可繞差動機構(gòu)實現(xiàn)兩側(cè)差動，使6個車輪始終同時著地，被動適應(yīng)月面復(fù)雜的地形地貌。移動分系統(tǒng)設(shè)計為6輪全驅(qū)動，既可以提高巡視器在松軟月表的附著牽引力，又可以應(yīng)對個別車輪發(fā)生故障時能夠確保巡視器仍保持一定的移動能力[10]。

圖2 玉兔巡視器移動分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖[10]Fig.2 Schematic diagram of mobility system of Yutu[10]

1.2 火星探測

由于火星的自然條件與地球比較相似，從20世紀70年代開始，火星一直是人類深空探測的首選目標星球之一。美國和前蘇聯(lián)先后發(fā)射了自己的火星探測機器人，但前蘇聯(lián)的火星探測機器人在著陸后很快就失去了聯(lián)系，只有美國發(fā)射的火星探測機器人成功著陸[11]。全世界共實施了45次火星探測任務(wù)，如表2所示，對火星的探測取得了一定的成就，包括發(fā)現(xiàn)了在火星上存在水的證據(jù)。通過分析可知，火星探測的平均成功率為47%，低于月球探測的平均成功率。其根本原因一方面是火星距離遠，遙測遙控能力受限，導(dǎo)致探測器本身自主動作復(fù)雜；另外一方面是火星有稀薄的大氣，對探測器的氣動性能、耐熱性能、敏捷性能等都提出了更高的要求。

表2 全球無人火星探測任務(wù)分類統(tǒng)計

美國在火星探測機器人方面處于領(lǐng)先地位。如圖3所示，索杰納號、勇氣號和機遇號以及好奇號相繼被送入火星表面，成功對火星進行了探測[12]。其中，機遇號在火星上工作了15年，行駛里程超過45.16 km，是目前人類在地球以外天體上行駛距離最遠的探測機器人。

圖3 火星探測機器人[12]Fig.3 Mars exploration robots[12]

好奇號作為迄今為止最龐大、最復(fù)雜、最先進、最昂貴的火星探測器，其探測結(jié)果使人類對火星的認識發(fā)生了革命性變化。好奇號為6輪布局，總質(zhì)量899 kg，有效載荷總重84 kg，由移動分系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)與機構(gòu)分系統(tǒng)、導(dǎo)航與控制分系統(tǒng)、綜合電子分系統(tǒng)、電源分系統(tǒng)、熱控分系統(tǒng)、測控數(shù)傳分系統(tǒng)等組成，攜帶有11種有效載荷，開展火星環(huán)境、生命等方面的探測任務(wù)，其組成如圖4所示[13-14]。

圖4 好奇號結(jié)構(gòu)組成[14]Fig.4 Structural composition[14] of Curiosity

好奇號在火星表面工作有5種模式：行進模式、勘查模式、接近模式、接觸模式以及樣品采集與分析模式，這些工作模式直接決定導(dǎo)航與控制分系統(tǒng)的設(shè)計目標。好奇號導(dǎo)航與控制分系統(tǒng)由視覺導(dǎo)航子系統(tǒng)、組合導(dǎo)航子系統(tǒng)與路徑規(guī)劃子系統(tǒng)組成。視覺導(dǎo)航子系統(tǒng)負責(zé)完成環(huán)境圖像獲取、立體匹配、三維地形重建等功能，它主要包括導(dǎo)航相機、避障相機及相應(yīng)圖像處理單元。組合導(dǎo)航子系統(tǒng)負責(zé)完成火星車的定位定向與姿態(tài)獲取功能，主要包括慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和太陽敏感器等；路徑規(guī)劃子系統(tǒng)在綜合上述兩個子系統(tǒng)信息后進行處理，完成路徑規(guī)劃。好奇號的工作是以自主導(dǎo)航與控制為主、遙操作為輔。要完成自主導(dǎo)航與控制工作，好奇號要求具有清晰感知所處環(huán)境、發(fā)現(xiàn)障礙與危險、了解自身位置與姿態(tài)、綜合分析規(guī)劃路徑等能力，這些功能分別是通過數(shù)字高程模型圖像構(gòu)建與障礙物檢測技術(shù)、火星表面三維場景拼接與重建技術(shù)、立體視覺匹配技術(shù)、火星車定位定姿技術(shù)、視覺里程技術(shù)、在軌自標定技術(shù)及路徑規(guī)劃技術(shù)來實現(xiàn)的[15-20]。

作為導(dǎo)航分系統(tǒng)的執(zhí)行分系統(tǒng)，好奇號移動分系統(tǒng)的2個前輪和2個后輪分別帶有獨立的轉(zhuǎn)向電機，這使其能夠在原地進行360°旋轉(zhuǎn)。好奇號沿用了以往索杰納號、機遇號和勇氣號火星車的搖臂-轉(zhuǎn)向架式結(jié)構(gòu)，在翻越多巖石的不平整表面時具有最大程度的穩(wěn)定性，能夠翻越約65～75 cm 高的障礙物，能越過直徑約為50 cm的坑，在平整堅硬的地面上行駛的最高速度為4 cm/s，截至目前，總行駛里程約為22.1 km。

好奇號的移動系統(tǒng)為6輪主副搖桿系統(tǒng)，使火星車能夠越過車輪大小的巖石或壕溝。除直線行駛外，火星車能夠?qū)崿F(xiàn)弧線轉(zhuǎn)彎和原地轉(zhuǎn)彎[21]，見圖5。另外，主副搖桿系統(tǒng)能夠承受車體傾斜60°、吸收著陸和行走過程的沖擊載荷。搖桿-轉(zhuǎn)向架機構(gòu)與差速器保證火星車在嚴重不平整路面移動時，6個車輪與地面也接觸良好。這樣的設(shè)計有兩個優(yōu)勢：其一，每個車輪受力均勻，該性能對火星車在松軟土壤中行走至關(guān)重要，因為壓力集中會導(dǎo)致車輪沉陷；其二，火星車在越障時，保證總有車輪與地面接觸并提供驅(qū)動力，從而增強其越障能力。

圖5 好奇號搖桿轉(zhuǎn)向架移動系統(tǒng)[21]Fig.5 Rocker-bogie mobility system of Curiosity[21]

另外，值得一提的是好奇號電源分系統(tǒng)[22-23]，其中最富特色的部分莫過于其多功能同位素溫差電源，該電源采用PuO2(Pu-238)作為燃料，能夠持續(xù)穩(wěn)定地為巡視器其他分系統(tǒng)提供電能和熱能，工作壽命可達14年以上。采用“核電池”大大降低了電源系統(tǒng)對火星環(huán)境的依賴性，提升了巡視器在低溫、塵暴等氣候環(huán)境下的生存能力。

美國三代火星探測機器人的車輪參數(shù)及受力如表3所示。同時對比好奇號與火星探測漫游者(Mars Exploration Rover，MER；包含機遇號和勇氣號)的移動系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)其移動性能非常相似；其次，好奇號的地面壓力重量比、速度重量比、轉(zhuǎn)矩重量比和慣性測量元件均與MER相似。不同之處是差速機構(gòu)，MER用的是差速箱結(jié)構(gòu)，而好奇號用的是差速桿結(jié)構(gòu)。

綜上所述，主副搖桿系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于星表移動探測機器人的設(shè)計中，主要原因是該系統(tǒng)的車輪與地面接觸良好，底盤始終保持兩根搖桿傾斜角度的平均值(相對地面)，且允許星表移動探測機器人爬越車輪直徑一半大小的障礙物。但這種結(jié)構(gòu)的剛度和強度有限，不適宜高速(>200 mm/s)行駛，且比常規(guī)懸架復(fù)雜，需要差速器配合。

在成功實施探測任務(wù)的星表移動探測機器人中(如表4所示)，通過結(jié)構(gòu)形式對比分析表明：輪式結(jié)構(gòu)是開展星球表面巡視探測任務(wù)的首選，其中4輪、6輪、8輪分別占比27.27%、54.55%、18.18%。絕大部分星表移動探測機器人都采用搖臂轉(zhuǎn)向架式移動系統(tǒng)，占比54.55%；各星表移動探測機器人的爬坡能力在20°～30°之間[24]。

表4 星表移動探測機器人對比(統(tǒng)計時間截至2020年4月30日)Table 4 Comparison of planetary surface mobile exploration robots (Statistics up to April 30, 2020)

目前星表移動探測機器人都是以月球或火星為探測目標，其表面環(huán)境惡劣、非結(jié)構(gòu)性強，對星表移動探測機器人的移動性能提出了很高的要求，因此星表移動探測機器人必須具有性能優(yōu)越、自適應(yīng)能力強的移動系統(tǒng)，這也是星球探測的核心技術(shù)之一。同時月球和火星的重力環(huán)境均低于地球，如何驗證移動系統(tǒng)在不同于地球重力環(huán)境下的移動性能也是星表移動探測機器人研究的關(guān)鍵問題。

隨著各國對太空資源的爭奪，美國提出了重返月球計劃、中國提出了火星登陸計劃，歐洲航天局和印度也提出了相應(yīng)的月球探測計劃。新一輪的太空探測競爭必定會出現(xiàn)更多的星表移動探測機器人，星表移動探測機器人也必將更加智能、功能更加強大。

2 原理樣機研究現(xiàn)狀

自20世紀60年代以來，以美國、前蘇聯(lián)(俄羅斯)、法國、日本等發(fā)達國家為首，各國科研機構(gòu)紛紛進行各種類型星表移動探測機器人的研制，相繼研發(fā)了各種不同類型的原理樣機[25]。20世紀末，中國在新世紀航天發(fā)展的近期目標中確定了“開展以月球探測為主的深空探測的預(yù)先研究”，以清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)和航天科技集團第五、八研究院為主的一些高等院校和科研機構(gòu)相繼開展了月球探測機器人的研究工作[26-27]。迄今為止，國內(nèi)外研究人員從星表移動探測機器人的越障性能、地形適應(yīng)能力、能耗等需求出發(fā)，研制出了大量的原理樣機。本文根據(jù)移動方式不同，將其分為輪式、腿式、履帶式及其他類型4種形式。

2.1 輪式機器人

輪式機器人具有移動速度快、效率高等優(yōu)點，得到了廣泛研究。輪式機器人可分為單輪、兩輪、三輪、四輪、五輪、六輪、八輪，其中四輪和六輪的研究最多。根據(jù)已收集到的資料，對各種輪式的機器人作了介紹和分析，本文所列舉的不同輪數(shù)機器人的樣例占比如圖6所示。由圖可知，四輪、六輪星表移動探測機器人由于具有顯著的靈活性和穩(wěn)定性仍是目前研究的重點。

圖6 不同輪式星表機器人研究分布Fig.6 Research distribution of different wheeled planetary robots

單輪機器人結(jié)構(gòu)簡單，近似點接觸的方式使其轉(zhuǎn)向更為靈活；體積小，更容易找到最佳的越障路徑；同時軌跡控制也相對簡單；缺點則是不穩(wěn)定、易傾倒且控制較難。具有代表性的有美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)(Carnegie Mellon University，CMU)研制的Gyrover、日本東京電子通訊大學(xué)和美國密執(zhí)安州立大學(xué)各自研制的球形機器人。CMU研制的星球探測機器人Gyrover[5,28-29]，用一個輪子代替整個車體，利用圓形結(jié)構(gòu)的地形適應(yīng)能力，并且體積大大減小，增加了其機動性和靈活性，見圖7[29]。日本東京電子通訊大學(xué)研制的球形移動機器人[5,30]由球形輪和弧形體構(gòu)成，運動控制機構(gòu)都在球形輪內(nèi)，3個驅(qū)動電機裝在一個單擺上，分別控制球形輪、弧形體和弧形。美國密執(zhí)安州立大學(xué)的球形機器人[31-32]內(nèi)部含有4根螺桿，每根螺桿各裝有質(zhì)量塊且能獨立驅(qū)動，通過改變質(zhì)量塊位置來改變機器人整體質(zhì)心位置，從而產(chǎn)生偏心力矩來實現(xiàn)機器人的全方位運動。

圖7 單輪機器人Gyrover[29]Fig.7 Single-wheeled robot: Gyrover[29]

兩輪機器人結(jié)構(gòu)簡單、控制可靠、避障靈活，可作為子探測機器人提高探測效率、減小探測風(fēng)險。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的兩輪并列式月球車[33]具有體積小、不易傾覆、零半徑旋轉(zhuǎn)的特點。瑞士聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)研制的可進行遙控操作的兩輪移動機器人Joe[34]，采用陀螺儀作為傳感器來獲得機器人姿態(tài)信息；由于兩輪平行布置，每個輪各裝有一個直流電機驅(qū)動，Joe能穩(wěn)定地做U型回轉(zhuǎn)和零半徑回轉(zhuǎn)，見圖8(a)。美國Southern Methodist大學(xué)研制的兩輪自平衡機器人nBot[35]，不僅可以進行零半徑回轉(zhuǎn)，還可以在運動過程中碰到障礙物后自主地選擇路線繞過障礙物繼續(xù)運動，實現(xiàn)了在室內(nèi)、室外平坦路面和室外崎嶇路面等環(huán)境下的運動，見圖8(b)。

圖8 兩輪機器人Fig.8 Two-wheeled robots

另外，美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)擬于2025年計劃將兩輪機器人Axel Rover送上月球進行洞穴探測。Axel Rover借鑒“溜溜球”的工作原理，通過不斷地搖動和解開其身上的繩索，以期實現(xiàn)在任何地形上執(zhí)行探測任務(wù)[36]。為此，NASA聯(lián)合加州理工大學(xué)已研制了三代Axel Rover[37]。Axel V1被設(shè)計成一種模塊化運載器，可攜帶有效科學(xué)載荷模塊進行探測，但其越障能力不佳。圖9(a)所示的Axel V2在Axel V1的基礎(chǔ)上配備了繩索系統(tǒng)和大型“槳”輪，使其具有高機動性，能適應(yīng)各種極端地形，但Axel V2的繩索易與車輪纏繞而出現(xiàn)故障。圖9(b)所示的Axel V3為繩索提供了一條導(dǎo)向管道，以防止繩索與車輪纏繞；同時其通過差速驅(qū)動可以實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎等操作。

圖9 Axel Rover[37]Fig.9 Axel Rover[37]

三輪機器人常以可展開移動系統(tǒng)為主，3個車輪聯(lián)接于同一懸架，可以達到較大的體積折疊比，但由于其平衡性不佳，實際應(yīng)用并不多。日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)(Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA)和東京工業(yè)大學(xué)聯(lián)合開發(fā)了折疊式機器人Tri-star2[29,38]，該機器人采用軸環(huán)和可壓縮輪結(jié)構(gòu)，具有較強的機動性，其體積折疊比可達到373%，見圖10(a)。美國國家技術(shù)標準局研制了索纜并聯(lián)機器人RoboCrane[29,39]，該移動系統(tǒng)由3組索桿鉸接在一個Stewart平臺上形成，索桿可代替動力源驅(qū)動形成移動框架，通過索纜的順序張緊與釋放，改變索桿和車輪間相對位置，可最終完成折疊與展開功能，見圖10(b)。

圖10 三輪機器人[29]Fig.10 Three-wheeled robots[29]

四輪機器人平衡穩(wěn)定性好且理論成熟，其研究應(yīng)用較為常見。美國的四輪探測機器人有較多研究成果，如CMU的Nomad[40-41]、NASA的SSR(Sample Return Rover)[42]，桑迪亞國家試驗室的RATLER[43-44]，噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)的Nanorover[45]。國內(nèi)的哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了行星輪式月球車[46]和變質(zhì)心四輪月球車[47]，湖南大學(xué)研制了一種菱形四輪月球車[48-49]。美國CMU研制的一種底盤可變形的四輪行星車Nomad，其底盤主要通過兩個四桿機構(gòu)進行變形，底盤的四桿機構(gòu)可展開成菱形或收縮成直線。當?shù)妆P完全展開時所占的包絡(luò)空間比其折疊狀態(tài)時增加35%，這種展開功能使底盤具備超越其裝載結(jié)構(gòu)20%的靜穩(wěn)定性，見圖11(a)[41]。湖南大學(xué)基于“四輪三軸”設(shè)計思想研制了菱形四輪月球車，該車用最少輪數(shù)實現(xiàn)了六輪移動系統(tǒng)具有的三軸性能，且任意三輪都能形成穩(wěn)定的三角形支撐結(jié)構(gòu)；遇到障礙時，通過調(diào)整姿態(tài)，將重心置于任意3條擺臂上，實現(xiàn)重心上下、前后、左右的偏移，完成跨越的動作，在轉(zhuǎn)向、爬坡、越障等方面性能優(yōu)越，見圖11(b)[48]。

圖11 四輪機器人Fig.11 Four-wheeled robots

五輪機器人兼具四輪的簡單輕巧和六輪的越障靈活，但五輪式不具備對稱穩(wěn)定性且控制較難，其研究應(yīng)用較少。圖12為JAXA研制的Micro5[50]，該車采用五點接觸懸吊式結(jié)構(gòu)，其中4個角輪為驅(qū)動輪，中間輪為支撐輪，可繞橫梁節(jié)點旋轉(zhuǎn)，以此來調(diào)整重力在各車輪上的分配，從而提高車體的穩(wěn)定性和機動性。上海交通大學(xué)研制了一款五輪鉸接式月球車[51-52]，其前輪和中間兩輪能獨立轉(zhuǎn)向、獨立驅(qū)動，后面的兩個車輪是輔助輪；在越障過程中，仰俯電機通過驅(qū)動俯仰齒輪副使俯仰車架離開地面，從而提高越障性能。

圖12 五輪機器人Micro5[50]Fig.12 Five-wheeled robot: Micro5[50]

六輪機器人具有較強的越障能力，是目前國內(nèi)外構(gòu)型最多、研究應(yīng)用最廣的類型，六輪式探測機器人的差異主要體現(xiàn)在懸架系統(tǒng)上：① 搖臂-轉(zhuǎn)向架式懸架最具有代表性，通過副搖臂的轉(zhuǎn)動，并借助于從動輪來調(diào)整載荷在各個輪上的分力，從而提高車體的穩(wěn)定性和越障能力；美國JPL多采用此懸架系統(tǒng)且開發(fā)了Rock 7[53](圖13(a))、FIDO(Field Integrated Design & Operations)[54]、SDM(Software Development Model)[55]等車型；② 三體柔性懸架由三節(jié)結(jié)構(gòu)串聯(lián)鉸接組成，可以實現(xiàn)俯仰、扭轉(zhuǎn)及擺動等運動形式，具有很強的地形適應(yīng)能力及越障能力，但其所載儀器易受地形的影響；前蘇聯(lián)的Marsokhod[56](圖13(b))和哈爾濱工業(yè)大學(xué)的六圓柱-圓錐式月球車[57]采用此懸架系統(tǒng)；③ 平行架-叉形架懸架具有六輪獨立驅(qū)動、前后兩輪獨立轉(zhuǎn)向的特點，叉形架可以分擔平行架的負載，使中輪易于越障，具有較強的穩(wěn)定性和通過性；歐空局與瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院聯(lián)合研制的CRAB、Shrimp(圖13(c))及SOLERO[58]均采用此懸架系統(tǒng)，國內(nèi)上海航天局牽頭研制的MR-2[59]和北方車輛研究所的FDTM(Find and Trace the Moon)月球車[60]也采用類似懸架系統(tǒng)。

圖13 六輪機器人[53,56,58,62-63]Fig.13 Six-wheeled robots[53,56,58,62-63]

國內(nèi)外科研機構(gòu)還研制了其他的六輪懸架系統(tǒng)。歐空局與俄羅斯RCL(Russia Science & Technology Rover Co.Ltd.)聯(lián)合研制的RCL Concept-C[61]的懸架兩側(cè)通過差速機構(gòu)連接，懸架各構(gòu)件間的耦合關(guān)系使其具有較強的越障能力，通過復(fù)雜路面時承載平臺相對平穩(wěn)；其研制的RCL Concept-E[61]懸架系統(tǒng)由3組平行四邊形機構(gòu)組成，3組機構(gòu)均與承載平臺鉸接，無差速機構(gòu)，在通過不對稱障礙時，承載平臺易保持水平。圖13(d)為吉林大學(xué)的正反四邊形月球車[62]，采用正反四邊形懸架，該懸架每側(cè)由六根桿件相互鉸接成一套正四邊形機構(gòu)和反四邊形機構(gòu)，左右兩側(cè)懸架在水平桿處與載荷平臺通過差速器實現(xiàn)差速，其正、反四邊形機構(gòu)均可提高越障能力和運動穩(wěn)定性。國防科技大學(xué)的雙曲柄滑塊月球車[63]如圖13(e)所示，其采用獨特的雙曲柄滑塊聯(lián)動懸架，該懸架由主搖臂、滑塊及曲柄連桿組成，通過滑塊組合在主搖臂上的滑動來改變車輪之間的相對高度以適應(yīng)地形。

另外，值得一提的是重慶大學(xué)聯(lián)合四川美術(shù)學(xué)院提出的可重復(fù)、可重構(gòu)載人月球車概念設(shè)計方案[64]。可重復(fù)、可重構(gòu)載人月球車前、后車架均與中車架鉸接，使前、后車架能夠相對折疊，見圖14(a)和圖14(b)；前、后車輪的輪轂電機的軸與對應(yīng)車架上的懸架相鉸接，使前、后車輪能夠在俯仰方向上擺動，當前、后車架相對折疊到位時，前車輪與對應(yīng)側(cè)的后車輪貼靠在一起，進而實現(xiàn)大的收藏比(3.73)。目前，該概念車已經(jīng)完成樣機研制，見圖14(c)。

圖14 可重復(fù)、可重構(gòu)載人月球車[64]Fig.14 Repeatable and reconfigurable manned lunar rover[64]

八輪機器人在行駛穩(wěn)定性方面具有優(yōu)勢，但結(jié)構(gòu)和控制則較復(fù)雜，國內(nèi)外對其研究并不多。國外瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院研制了Octopus探測機器人[49]。國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了一種扭桿雙搖臂式月球車[47,65-67]如圖15所示，采用閉鏈平面鉸鏈機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)左右對稱，通過差速機構(gòu)與承載平臺連接，具有重力在各輪上均勻分配、八輪自適應(yīng)地形及通過性能良好等優(yōu)點，但其結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜。

圖15 八輪扭桿雙搖臂式月球車[47]Fig.15 Eight-wheeled lunar rover with torsion-bar and two rockers[47]

輪式星表移動探測機器人是目前各國研究最多的，在試驗驗證方面，圍繞輪式星表移動探測機器人的移動可靠性和穩(wěn)定性，各國都有針對性地研制了高精度的單輪測試系統(tǒng)和整車測試系統(tǒng)。

單輪測試平臺用以研究車輪與星球模擬土壤之間的相互作用，為機器人更好地完成探測任務(wù)奠定基礎(chǔ)。整車測試系統(tǒng)能模擬星球表面的環(huán)境條件，根據(jù)表面地形地貌、巖石類別和土壤物理機械特性等特征建立模擬試驗場。在試驗場內(nèi)可進行輪式星表移動探測機器人的通過性試驗，檢驗其動力性、越障、爬坡及路徑規(guī)劃等能力。

2.2 腿式機器人

腿式機器人一般采用仿生學(xué)原理，主要模擬哺乳動物、昆蟲等生物的行動方式。腿式機器人可以很好地實現(xiàn)越障和避障，有的甚至可以實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，而且不會打滑。腿式機器人在地形適應(yīng)能力方面優(yōu)于輪式結(jié)構(gòu)，可以越過更高的障礙和穿過更崎嶇的地形，缺點則是行走速度低、效率低，結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)相對比較復(fù)雜，其步態(tài)規(guī)劃和平衡控制也是核心難題。

美國CMU在腿式機器人方面研究較多，曾開發(fā)Dante Ⅰ、Dante Ⅱ、Ambler以及Daedalus[38,68-70]。Dante Ⅰ曾對南極埃里伯斯火山口進行了探險。Dante Ⅱ是Dante Ⅰ的改進型，如圖16(a)所示。Ambler采用被動式腿結(jié)構(gòu)，能獨立調(diào)節(jié)，具有很強的越障能力。Daedalus在Ambler的基礎(chǔ)上進一步優(yōu)化，其越障能力進一步得到提高。德國宇航中心研制的小型六足機器人DLR-Crawler[71]，其可作為子機器人置于大型探測器內(nèi)，投放到相對危險的區(qū)域執(zhí)行探測任務(wù)，見圖16(b)。德國人工智能研究中心研發(fā)的六足蜘蛛式機器人CREX[72]如圖16(c)所示，利用多足和多冗余度可以在惡劣環(huán)境中完成探測工作。波蘭波茲南科技大學(xué)研制的六足機器人Messor[73]對復(fù)雜地形也具有較強的適應(yīng)能力。日本千葉大學(xué)研制的六足機器人COMET-IV[74]更適應(yīng)斜坡及松軟地形。

圖16 腿式機器人[38,71-72,75-77]Fig.16 Legged robots[38,71-72,75-77]

鑒于六足機器人具有穩(wěn)定性好、承載大及環(huán)境適應(yīng)能力強等優(yōu)點，國內(nèi)對六足機器人也開展了多方位的研究，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)研發(fā)的兩代仿生六足機器人HITCR[75-76](圖16(d)、圖16(e))，上海交通大學(xué)在“國家973項目”的支持下研制了Octopus系列六足機器人[77](圖16(f))以及帶腰仿生六足機器人[78]。其中哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的HITCR I[75]如圖16(d)所示，其以復(fù)合四連桿機構(gòu)為腿部基本結(jié)構(gòu)，并將腿部驅(qū)動系統(tǒng)的重量集中設(shè)計在軀干基關(guān)節(jié)上，使得機器人腿部具有較大的運動剛度和較小的轉(zhuǎn)動慣量；同時其軀體外形以及各肢體基關(guān)節(jié)分布的基本構(gòu)型均為橢圓形，這種設(shè)計減少了腿間運動干涉，提高了步行的穩(wěn)定性，實現(xiàn)了在平坦地形上的自由步態(tài)行走。圖16(e)的HITCR Ⅱ[76]則是為在復(fù)雜環(huán)境中行走而研制的，其腿部采用高集成模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，由基節(jié)、股節(jié)和脛節(jié)組成，各個關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)也完全相同，保證了機器人良好的互換性；同時安裝了視覺和力等傳感器，可通過視覺傳感器來選擇足部的路徑和支撐點，通過腿部三自由度力傳感器的柔度控制來提高機器人對崎嶇地形的適應(yīng)能力。另外，北京航空航天大學(xué)提出的九自由度六足全方位步行機器人[79]，巧妙地利用六足結(jié)構(gòu)將自由度減少為9個，并可實現(xiàn)全方位行走。

腿式機器人的運動是一系列離散的點與地面接觸，其對地形的適應(yīng)性較強，同時對所探測環(huán)境的擾動也較小，能夠?qū)Φ匦谓Y(jié)構(gòu)復(fù)雜且具有較高科考價值的區(qū)域?qū)嵤嵉靥綔y。然而，對腿式機器人高效、節(jié)能步態(tài)規(guī)劃及機器人本體在強非結(jié)構(gòu)地形運動的靈活性、穩(wěn)定性研究仍需進一步深化。隨著對動物仿生學(xué)研究的深入、控制技術(shù)和傳感器技術(shù)的不斷進步，以及未來對強非結(jié)構(gòu)地形如月球洞穴、火星沖積地形等探測需求的提高，將共同促進腿式機器人技術(shù)的快速發(fā)展。

2.3 履帶式機器人

履帶式機器人具有地形適應(yīng)能力強、穩(wěn)定性能和越障性能良好、動載荷小、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，但其整體結(jié)構(gòu)笨重、能耗大，且其履帶容易被巖土磨損，導(dǎo)致履帶式機器人在星表探測方面的研究相對較少。

俄羅斯移動車輛工程學(xué)院在履帶式探測機器人方面有一定的研究，曾研制了IDD(Instrument Deployment Device)雙履帶式探測車和四履帶火星探測車[38,80-81]。IDD雙履帶式探測車如圖17(a)所示，該車整體結(jié)構(gòu)可變形且重心低，主車體平臺既可與地面平行，又可向前翻轉(zhuǎn)與地面垂直。四履帶火星探測車重450 kg，采用四履帶移動系統(tǒng)，有較強的地形通過能力。歐洲航天局研制的履帶式機器人Nanokhod[82]在移動時與地面有很好的摩擦因數(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高、越障能力強等優(yōu)點，但轉(zhuǎn)彎時存在摩擦損失大、機動性能差等不足，見圖17(b)。日本在履帶式機器人方面研究較多，如JAXA研制了一種輕型履帶式機器人[83]，其懸架由4個獨立驅(qū)動及轉(zhuǎn)向的網(wǎng)狀履帶輪組成，履帶與地面接觸面積大，再通過其特有的懸架系統(tǒng)使其具有較強的越障能力，見圖17(c)；千葉工業(yè)大學(xué)研制的一款六履帶四擺臂式機器人“木槿”[84],如圖17(d)所示，其前后兩對擺臂能夠獨立擺動，通過擺臂的姿態(tài)調(diào)整使其具有良好的越障性能；東北大學(xué)設(shè)計了一款小型履帶式移動機器人Quince[85]，其結(jié)構(gòu)緊湊且體積小，具有很好的機動性與靈活性。

履帶式機器人對松軟的星球表面有獨特的優(yōu)勢，其下陷度小且通過性能良好。北京航空航天大學(xué)研制的可重構(gòu)履帶式機器人、沈陽自動化研究所研制的CLIMBER機器人、國防科技大學(xué)研制的六履帶結(jié)構(gòu)機器人、上海交通大學(xué)研制的六履帶四擺臂式機器人等均是圍繞非結(jié)構(gòu)地形特點開展的關(guān)于履帶式機器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化及高機動性方面的研究。北京航空航天大學(xué)研制的可重構(gòu)履帶式機器人[86]由4個具有獨立運動能力的基礎(chǔ)模塊、2個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)模塊及5個連桿模塊組成，移動系統(tǒng)采用履帶式結(jié)構(gòu)，具有地形適應(yīng)能力強、平穩(wěn)性好等優(yōu)點，見圖17(e)。上海交通大學(xué)的六履帶四擺臂式機器人[87]如圖17(f)所示，其在主履帶前后分別加裝了一對擺臂結(jié)構(gòu)，其姿態(tài)調(diào)整更為靈活，因此對非結(jié)構(gòu)地形的適應(yīng)能力又進一步提高；其和日本千葉工業(yè)大學(xué)的“木槿”一樣采用擺臂外置結(jié)構(gòu)，但該機器人的4個擺臂可以回收在車體內(nèi)側(cè)，這是“木槿”所缺乏的，這使得該機器人可以大大減少整個機構(gòu)安放時的包絡(luò)尺寸。

圖17 履帶式機器人Fig.17 Tracked robots

履帶式機器人著地面積較大，同時履帶與地面的粘合力強，能在凹凸不平的崎嶇地面上穩(wěn)定行駛，具有較好的地面適應(yīng)性和越障穩(wěn)定性，但履帶式機器人結(jié)構(gòu)與機構(gòu)比較復(fù)雜，其移動系統(tǒng)的傳動效率也不高，這些都限制了履帶機器人在實際中的應(yīng)用。

2.4 其他類型機器人

隨著材料科學(xué)的發(fā)展和機器人技術(shù)的進步，星表移動探測機器人的設(shè)計萌生了許多新的概念，如子母式機器人、復(fù)合式機器人以及彈跳式機器人等，每種類型均有獨自的特點。

子母式機器人，由一個母機器人及若干個子機器人構(gòu)成。母機器人攜帶子機器人進行探測，對于地形復(fù)雜又具有較高探測價值的區(qū)域，子機器人可以替代母機器人執(zhí)行探測任務(wù)，這樣不僅提高探測效率，還可以降低母機器人的探測風(fēng)險。日本東京工業(yè)大學(xué)研制的SMC月球車[88-89]由一個主體和多個子機器人組成，如圖18(a)所示。主體包括太陽能電池、通訊裝置、樣品分析儀、電池充電器和子機器人的工具更換裝置，子機器人由一個用于移動的輪子和一個用于操作的機械手臂組成。SMC月球車的主體不能自行移動，但子機器人的機械手臂可以與主體連接充當主動輪以使其移動。每個子機器人都可以從主體中分離出來，自行移動并執(zhí)行單獨的探測任務(wù)。子機器人可以在“運動模式”和“操作模式”之間切換。當處于“運動模式”時，通過伸展手臂，可以在地面上實現(xiàn)高機動性移動，其機械手臂的手腕處裝有腳輪，通過手腕運動改變該腳輪的方向(偏航角度)以控制其運動方向，見圖18(b)；當處于“操作模式”時，機械手臂則充當帶有夾持器的機械手，進行采樣等操作，見圖18(c)。

圖18 子母式機器人[88]Fig.18 Primary-secondary robots[88]

復(fù)合式機器人是基于輪、腿、履的不同組合形式所形成的機器人，可組合為輪腿式、輪履式、履腿式及輪腿履式4類?？紤]到控制的可靠性和移動高效性的需求，目前復(fù)合式星表移動探測機器人的研究主要集中在輪腿式機器人方面。輪腿式機器人融合了腿式移動機構(gòu)較強的地形適應(yīng)能力和輪式移動機構(gòu)的高速高效性能。

針對月球基地的建設(shè)，NASA研制了一款全地形六輪腿機器人ATHLETE[90]用于月球上的運輸任務(wù)，見圖19(a)。NASA研制的另一款輪腿式月球車Chariot[91]如圖19(b)所示，其采用6組12車輪，全輪實現(xiàn)獨立轉(zhuǎn)向，車輪為可旋轉(zhuǎn)式，整車由兩個電動馬達驅(qū)動，可兩級變速，采用模塊化的設(shè)計使其可以搭載多名宇航員和較多的負載，并可配備不同的裝備以完成不同的任務(wù)。為提高探測機器人的越障能力，美國JPL研制了四輪腿機器人Gofor[92]、上海交通大學(xué)則研制了一種管道形輪腿式探測機器人PWLER[93]、重慶大學(xué)聯(lián)合上海宇航系統(tǒng)工程研究所研制了六輪腿月面機器人[94](圖19(c))。其中上海交通大學(xué)的PWLER機器人由兩個機器人單元組成，每個機器人單元由管道連接而成的機架、圓柱形太陽能電池板、6條可獨立運動的輪腿和1個探測球組成，機器人單元之間通過1根連接軸和3個平行的伸縮部件相連。此外，PWLER具有多種獨特性能，爬坡時能保持機體處于水平狀態(tài)；通過增加管道，可很容易地進行容積和探測功能的擴展；同時具有良好的傾覆穩(wěn)定性。

圖19 輪腿式機器人Fig.19 Wheel-legged robots

彈跳式機器人的突然爆發(fā)性有助于其越過障礙物，因此彈跳機器人具有很強的越障及環(huán)境適宜能力，在星表探測領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。彈跳式機器人從運動形式上可以分為連續(xù)彈跳式和間歇彈跳式。NASA研制的三代彈跳機器人[95-97]均屬于間歇彈跳式機器人(第一代見圖20(a))，美國CMU則研制了一種既可以連續(xù)彈跳又可以間歇彈跳的多腿球形機器人RATS[98]。圖20(b)為美國加州大學(xué)伯克利分校研制的一種六桿張拉機器人[99]，其由6根桿件和24根彈性繩組成，每根桿均由電池座、定制連接器和減振器等組成，該機器人通過變形實現(xiàn)彈跳行走。

針對月球、火星表面的低重力環(huán)境，麻省理工學(xué)院研制了球形彈跳機器人Microbots[100]、日本宇航局和東京大學(xué)聯(lián)合設(shè)計了Minerva彈跳機器人[101]、哈爾濱工業(yè)大學(xué)則研制了一種球形滾動彈跳式機器人[102]。通過對袋鼠跳躍過程中其腿部動作的研究，西北工業(yè)大學(xué)和臺灣大學(xué)的研究人員分別研制了仿袋鼠跳躍機器人[103-105]。哈佛大學(xué)提出了仿蟑螂爬行跳躍機器人HARM[97]，該機器人四足構(gòu)造一致，兩個壓電微型制動器可以實現(xiàn)控制足部的全空間靈活運動，能夠通過四足的協(xié)調(diào)控制像蟑螂一樣高速爬行、跳躍、爬升和急轉(zhuǎn)彎，攜帶有效載荷從高處墜落也不至于受損，見圖20(c)。

圖20 彈跳式機器人Fig.20 Jumping robots

綜上所述，星表移動探測機器人的移動方式無論是采用輪式、腿式或履帶式，亦或是輪腿復(fù)合式、彈跳式等，都必須克服其固有的短處，如輪式的地形適應(yīng)性不足、腿式的控制較難、履帶式和輪腿式的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，彈跳式的落地平穩(wěn)性較差等。同時要使機器人運動靈活、適應(yīng)能力強，其操控難度也勢必會增加，進一步可能會影響星表探測任務(wù)的進程。這些都是目前星表移動探測機器人研制領(lǐng)域的矛盾共同體，有待科研人員進一步深化研究。

3 未來發(fā)展趨勢

隨著星表探測任務(wù)越來越復(fù)雜，對星表移動探測機器人的要求也將越來越高，未來的星表移動探測機器人必須具備更長的移動距離、更高的移動速度、更強的越障能力和更大的科學(xué)載荷承載能力，因此對星表移動探測機器人的機構(gòu)設(shè)計提出了更高的要求，其未來可能的發(fā)展趨勢如下：

1) 星球表面崎嶇不平的路況對星表移動探測機器人的越障能力提出了較高要求。輪式機器人可通過底盤的優(yōu)化提高越障能力；輪腿復(fù)合式機器人兼具輪式高速移動和腿式越障能力強的優(yōu)點，將是一個大的發(fā)展趨勢方向。

2) 由于航天器對尺寸及重量有嚴格的限制，減少星表移動探測機器人的質(zhì)量和體積具有較大意義。在保證正常功能的前提下，通過優(yōu)化設(shè)計、采用較輕材料等手段可降低探測機器人的質(zhì)量；采用新型的具有大折展比的結(jié)構(gòu)設(shè)計可降低探測機器人所占體積。

3) 星球表面上存在較多的未知情況和各種潛在威脅，需保證星表移動探測機器人的高可靠性。子母式機器人和彈跳式機器人將是一個大的發(fā)展趨勢，子機器人既可以減少航天器的發(fā)射重量、節(jié)省空間，又可以降低母機器人探測風(fēng)險、擴大探測范圍；彈跳式機器人具有優(yōu)越的被動地形適應(yīng)能力和高機動性，將成為極端危險又具有高科考價值的探測區(qū)域的首選機器人。

4 結(jié) 論

本文對星表移動探測機器人的研究現(xiàn)狀進行了系統(tǒng)的綜述，包括對已經(jīng)成功實施探測任務(wù)的星表移動探測機器人的技術(shù)狀態(tài)、在軌運行狀態(tài)等進行了回顧、歸納、分析；對目前在研的可適應(yīng)于星表探測的機器人進行了梳理和分類討論，詳細分析了不同結(jié)構(gòu)形式星表移動探測機器人的運動特點、技術(shù)參數(shù)及其環(huán)境適應(yīng)性等。在文獻綜述的基礎(chǔ)上，對星表移動探測機器人的未來可能的發(fā)展趨勢做了展望，以期能夠為從事該領(lǐng)域的研究人員提供借鑒。