星球表面著陸巡視一體化探測機(jī)器人研究進(jìn)展

路達(dá)，劉金國，高海波

1. 中國科學(xué)院 沈陽自動化研究所 機(jī)器人學(xué)國家重點實驗室，沈陽 110016 2. 中國科學(xué)院 機(jī)器人與智能制造創(chuàng)新研究院，沈陽 110169 3. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室，哈爾濱 150080

自蘇聯(lián)于1957年發(fā)射了第1顆人造衛(wèi)星(Sputnik-1) 以來，世界各航天大國開展了大量的星球探測任務(wù)并取得了豐碩的成果。探測范圍從近地軌道逐漸拓展到深空領(lǐng)域。星球探測的方式主要有飛掠、繞飛、撞擊、軟著陸及移動探測等。其中，軟著陸及移動探測相比其他探測方式，可對星球進(jìn)行長時間直接和精確的探測。然而受著陸器的著陸條件和探測機(jī)器人移動能力限制，人類成功完成的幾次星球表面著陸探測均局限于相對平坦的區(qū)域，缺少對崎嶇地形的探測，而巖石區(qū)、環(huán)形山以及撞擊坑等作為其主要地形組成部分，這些區(qū)域的探測對于研究地質(zhì)變化、行星起源與演化和深層次樣品采集等方面具有重要的意義。

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，采用自身具有減振功能的移動機(jī)器人，能夠有效減小發(fā)射質(zhì)量和包絡(luò)空間，大幅降低成本，不受大部分著陸區(qū)域地形地貌的限制，單次任務(wù)可攜帶多個移動機(jī)器人，在星球表面不同區(qū)域進(jìn)行高空投放，開展分布式探測。

本文重點回顧和分析了傳統(tǒng)著陸巡視系統(tǒng)軟著陸和移動探測任務(wù)的特點及存在的缺陷，分析了各種具備著陸巡視一體化能力的探測移動機(jī)器人類型及其特點，并對各自領(lǐng)域的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)概述，對著陸巡視一體化機(jī)器人未來的發(fā)展方向進(jìn)行了展望，以期為我國未來在深空探測領(lǐng)域后續(xù)任務(wù)中開展著陸巡視一體化探測機(jī)器人技術(shù)研究和應(yīng)用提供有益參考。

1 傳統(tǒng)著陸巡視系統(tǒng)及存在的主要問題

傳統(tǒng)星球探測著陸巡視系統(tǒng)，一般通過探測器與減速設(shè)備和緩沖減振裝置等組合的方式開展，主要面向月球和火星探測 (見表1)。截至目前，共有7輛月球車成功進(jìn)行了月面巡視探測，其中4輛是無人月球車，包括蘇聯(lián)的月球車1號和月球車2號以及中國的兩輛玉兔號月球車；3輛有人駕駛的月球車為美國阿波羅15號、16號和17號任務(wù)中搭載的 LRV (The Lunar Roving Vehicle) 載人月球車。

美國是目前世界上唯一實現(xiàn)火星表面巡視探測的國家，其火星探測任務(wù)經(jīng)歷了3個階段:(火星探路者計劃 (Mars Pathfinder，MPF)，火星探測漫游車計劃 (Mars Exploration Rover，MER)，火星科學(xué)實驗室計劃 (Mars Science Laboratory，MSL))，共有4輛火星車參與。以火星探路者計劃任務(wù)為例，探測器首先通過火星大氣層減速；在距離火星表面約10 km高度處，系帶式降落傘展開；下降到300 m高度處，緩沖氣囊充氣；在距離火星表面約50 m高度處，反推力火箭啟動；安全著陸后，緩沖氣囊被放氣，索杰納 (Sojourner) 火星車從著陸器上駛離。該任務(wù)中的著陸器為錐形四面體結(jié)構(gòu)，本身不具備緩沖減振功能。

表1 傳統(tǒng)星球探測著陸巡視系統(tǒng)Table 1 Traditional planetary exploration and landing patrol systems

在嫦娥四號探測器首次實現(xiàn)月球背面軟著陸的過程中，利用激光導(dǎo)航避障敏感器等設(shè)備實現(xiàn)高精度實時導(dǎo)航和避障，使得著陸器能夠自主選擇在相對平坦的區(qū)域穩(wěn)定著陸[1-2]。然而作為傳統(tǒng)著陸巡視系統(tǒng)，用于著陸和緩沖減振的相關(guān)裝置占據(jù)了大部分的資源能源、安裝空間和發(fā)射質(zhì)量，存在任務(wù)成本高、系統(tǒng)復(fù)雜和容錯性差等諸多難題，其中任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障都可能導(dǎo)致整個探測任務(wù)的失敗，并且著陸后姿態(tài)不可調(diào)整，著陸地形及探測范圍受限。

2 著陸巡視一體化機(jī)器人分類及研究現(xiàn)狀

著陸巡視一體化機(jī)器人是一種集著陸緩沖和移動行走功能于一身的探測機(jī)器人，著陸時依靠自身緩沖機(jī)構(gòu)吸收沖擊能量使結(jié)構(gòu)不發(fā)生損壞，通過調(diào)整自身機(jī)構(gòu)改變位置姿態(tài)進(jìn)而開展移動探測，能夠適應(yīng)星球表面復(fù)雜地形條件。與傳統(tǒng)著陸巡視系統(tǒng)相比，著陸巡視一體化機(jī)器人有效降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，大幅提高了星球表面移動作業(yè)的靈活性和探測范圍。按緩沖減振形式和移動方式的不同，著陸巡視一體化機(jī)器人可分為腿式、球形、跳躍式和張拉整體式等主要類型。

2.1 腿式著陸巡視一體化機(jī)器人

在以往完成的星球表面軟著陸任務(wù)中，采用的著陸器大多為多腿固定式，其著陸穩(wěn)定性高、姿態(tài)控制相對成熟，但僅能開展原位探測及采樣等任務(wù)，作業(yè)空間僅限于幾米長的機(jī)械臂所及之處，探測范圍非常局限。針對現(xiàn)有多腿固定式著陸器的局限，為拓展其作業(yè)范圍，在傳統(tǒng)腿式著陸器的基礎(chǔ)上增加運動機(jī)構(gòu)，著陸后通過自身機(jī)構(gòu)調(diào)整，具備移動能力。

美國國家航空航天局 (National Aeronautics and Space Administration，NASA) 的 Mankins[3]提出的月面可移動模塊化六足式概念機(jī)器人 Habitat，其單足為雙桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)，上部安裝有六面體可增壓艙，各模塊之間的壓力接口連接起來可以組成模塊化月球基地 (見圖1)[3]。

圖1 Habitat 移動月球基地概念圖[3]Fig.1 Concept map of mobile moon base of Habitat[3]

在美國重返月球計劃 (星座計劃) 項目資助下，NASA 約翰遜航天中心 (Johnson Space Center，JSC) 開展了新型月球著陸器研究，提出了多種概念構(gòu)型[4]，各有側(cè)重點，如實現(xiàn)有效載荷的裝卸、作為月球基地供宇航員駐留等，其中部分概念著陸器具有移動功能，可實現(xiàn)人員和貨物的轉(zhuǎn)移并能開展巡視探測 (見圖2)。

圖2 “星座計劃”中開發(fā)的移動式著陸器概念方案[4]Fig.2 Concept schemes of mobile lander in “Constellation Program”[4]

NASA研制的六輪腿復(fù)合式機(jī)器人 ATHLETE (見圖3(a))，計劃用于月球探測[5]。該機(jī)器人兼具輪式移動系統(tǒng)高速高效的移動性能和腿式移動系統(tǒng)突出的越障能力，其車輪采用法國米其林公司 (Michelin) 和美國克萊姆森大學(xué) (Clemson University) 聯(lián)合研發(fā)的碳纖維復(fù)合材料 (見圖3 (b))，質(zhì)量輕、強(qiáng)度高，在受到著陸沖擊時利用變形緩和沖擊，變形后可快速恢復(fù)；并且腿機(jī)構(gòu)上的緩沖裝置也能夠起到緩沖減振功能。

圖3 ATHLETE 六輪腿復(fù)合式機(jī)器人及其彈性車輪[5]Fig.3 Six wheel leg hybrid robot and its elastic wheels of ATHLETE[5]

香港大學(xué)的 Hung 和 Howe[6]提出了月面移動機(jī)器人概念 Mobitat。該機(jī)器人采用八輪搖臂轉(zhuǎn)向架式移動系統(tǒng)，具有折展功能，在發(fā)射和下降期間收攏以減小包絡(luò)體積，通過下部的兩個反推力發(fā)動機(jī)實現(xiàn)有源下降 (見圖4 (a))。著陸后，反推力發(fā)動機(jī)收攏，移動系統(tǒng)展開，進(jìn)行巡視探測 (見圖4 (b))。但該方案由于著陸后反推力裝置和有源設(shè)備沒有被卸載，在移動過程中，該部分占用了較多的體積和質(zhì)量，使得整個系統(tǒng)過于笨重，影響移動性能。

圖4 Mobitat 減速下降和著陸巡視狀態(tài)[6]Fig.4 Deceleration descent and landing inspection status of Mobiltat[6]

此外，采用腿式著陸巡視一體化機(jī)器人的概念方案還包括：波音公司 (Boeing) 設(shè)計的火星衛(wèi)星著陸器[7]，分為 MCL (貨運) 和 MPL (載人) 兩種構(gòu)型方案；NASA 設(shè)計的 Lockheed Martin[8]月球著陸器； Howe[9]提出的模塊化可增壓移動式著陸器等。

上海交通大學(xué)的林榮富等[10-11]綜合考慮承載能力、發(fā)射空間和能耗等因素，提出了著陸與行走功能分離的四腿式移動機(jī)器人 (見圖5)。該機(jī)器人在機(jī)械腿上設(shè)有著陸緩沖機(jī)構(gòu)，具有多向緩沖減振能力；機(jī)械腿本身為多連桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)，具有折展功能；在著陸器平臺與機(jī)械腿之間增加運動關(guān)節(jié)，著陸后姿態(tài)可調(diào)整，承載能力高，具備多種復(fù)雜地形下的移動能力。

圖5 著陸與行走功能分離的四腿式巡視機(jī)器人[10]Fig.5 Four legged inspection robot with separate functions of landing and walking [10]

中國空間技術(shù)研究院的張志賢等[12]提出了六輪腿式可移動載人月面著陸器 (見圖6)，并對其進(jìn)行了全任務(wù)過程分級設(shè)計，在發(fā)射期間輪腿收攏以減小包絡(luò)體積；當(dāng)接近著陸時，輪腿展開；著陸后，機(jī)器人可根據(jù)月面地形選擇輪式或腿式移動方式，其越障高度可達(dá)4 m。

圖6 輪腿式可移動載人月面著陸器概念著陸狀態(tài)[12]Fig.6 Concept landing status of wheeled leg mobile manned lunar surface lander[12]

此外，南京航空航天大學(xué)的陳金寶、上海宇航系統(tǒng)工程研究所的劉志、北京空間技術(shù)研制試驗中心的李志杰等學(xué)者均進(jìn)行了腿式著陸巡視一體化機(jī)器人的相關(guān)概念研究。

腿式著陸巡視一體化機(jī)器人集著陸、人員和貨物運輸及移動探測等多種功能于一身，采用模塊化的設(shè)計理念，可相互組合，還能夠為星球基地的初期建設(shè)提供支持，提高了星球表面作業(yè)的可拓展性。但由于其結(jié)構(gòu)體積和重量較大，需要大推力的火箭運載或者采用多次發(fā)射并在星體表面完成組裝，著陸地點要求相對平坦并且需保證著陸姿態(tài)的穩(wěn)定性，在探測區(qū)域多樣性、任務(wù)靈活性等方面存在諸多不足。

2.2 仿風(fēng)滾草球形機(jī)器人

風(fēng)滾草是一種在戈壁、沙漠等干旱地區(qū)中常見的植物，其近基部節(jié)上有很多弧形分枝，到了深秋季節(jié)，枯枝蜷縮成球狀，質(zhì)量輕且干枯的莖部很容易折斷，受到風(fēng)吹動后，飛在空中或在地面滾動，能移動很長距離。風(fēng)滾草為近似球形，枝條具有一定彈性，能夠承受高空著陸的沖擊。

20世紀(jì)70年代，根據(jù)風(fēng)滾草植物結(jié)構(gòu)及其運動的特點，法國巴黎大學(xué) (Paris University) 的 Blamont 最早提出利用風(fēng)力驅(qū)動充氣式球形機(jī)器人進(jìn)行移動探測的構(gòu)想[13]。此后，美國亞利桑那大學(xué) (University of Arizona) 研制了大型圓柱狀機(jī)器人原理樣機(jī) Mars Ball[13]，通過外部8個充氣裝置交替充氣和放氣使重心位置發(fā)生變化，產(chǎn)生滾動，而柔性的充氣裝置本身具有緩沖減振作用。NASA 研制了電機(jī)驅(qū)動充氣式球形機(jī)器人 Wind-blown Ball[14]，通過操縱機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向，但在隨后的測試中，該機(jī)器人出現(xiàn)充氣球脫落的故障?？梢钥吹?，在早期的探索階段，研究者們僅借鑒了 Blamont 提出的設(shè)計理念，并未采用風(fēng)力驅(qū)動。

火星表面大氣稀薄且干燥，大氣環(huán)流復(fù)雜多變且隨季節(jié)變化很大，最高風(fēng)速可達(dá)100 m/s，是一種無限的能量來源。索杰納火星車曾使用的安全氣囊系統(tǒng)在火星表面滾動了很長一段距離后才停下來，比索杰納輪式火星車最終獨自完成的移動距離 (共行駛了約90 m) 遠(yuǎn)得多[15](見圖7)。受此啟發(fā)，NASA 的工程師們提出了利用風(fēng)力驅(qū)動仿風(fēng)滾草探測器開展火星表面著陸巡視一體化探測任務(wù)的設(shè)想 (見圖8)，將著陸緩沖減振和移動功能統(tǒng)一，不受著陸區(qū)域地形的限制，極大地拓展了探測范圍[16]。

圖7 火星探路者著陸藝術(shù)想象圖[15]Fig.7 Artistic imagination of the Mars Pathfinder landing[15]

圖8 仿風(fēng)滾草探測器在火星表面移動探測想象圖[16]Fig.8 Imagination of the moving detection of prototypes of bionic tumbleweed detector on the surface of the Mars[16]

為了更有效地利用風(fēng)能并降低驅(qū)動系統(tǒng)的復(fù)雜度，研究者們改進(jìn)了移動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及驅(qū)動方式，針對風(fēng)滾草植物的多分枝疏松結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿生設(shè)計，開發(fā)了許多概念模型，包括 NASA 蘭利研究中心 (Langley Research Center，LaRC) 設(shè)計的 Wedges[15](見圖9 (a))、Box Kite[15](見圖9 (b))、Dandelion[17](見圖9 (c))、Eggbeater Dandelion[18](見圖9 (d))、Tumble-cup (見圖9 (e))、Hamster Ball (見圖9 (f))，德州理工大學(xué) (Texas Tech University) 設(shè)計的 Tumbleweed concepts[19](見圖9 (g))，北卡羅來納州立大學(xué) (North Carolina State University) 提出的籠形探測器[20](見圖9 (h))，以及瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院 (école Polytechnique Fédérale de Lausanne, EPFL) 開發(fā)的一種形狀記憶合金 (SMA) 驅(qū)動仿滾草概念模型 Hardball 和 Softball[21]等。在這些概念模型中，Eggbeater Dandelion 通過32個彈性帶狀支撐結(jié)構(gòu)形成球形包絡(luò)，帶狀支撐結(jié)構(gòu)有一定彈性，相比其他模型具有更好的緩沖減振性能。

圖9 仿生風(fēng)滾草探測器的概念模型Fig.9 Prototypes of bionic tumbleweed detectors

為了驗證仿風(fēng)滾草球形機(jī)器人的運動性能，NASA 蘭利研究中心進(jìn)行了動力學(xué)仿真和樣機(jī)斜坡滾動等試驗；與德州理工大學(xué)合作進(jìn)行了模擬火星表面大氣環(huán)境的風(fēng)洞試驗；與南加州大學(xué) (University of Southern California)[22]及卡內(nèi)基·梅隆大學(xué) (Carnegie Mellon University)[23]合作進(jìn)行了仿真分析、試驗平臺測試及沙漠、極地冰蓋等實地測試。分析計算及測試結(jié)果表明，在火星表面的風(fēng)力條件下，仿風(fēng)滾草球形機(jī)器人具備在火星表面絕大多數(shù)區(qū)域開展移動探測的能力[24]。

仿風(fēng)滾草風(fēng)力驅(qū)動球形機(jī)器人，質(zhì)量和體積較小，可搭載大型探測器至星球表面上空，從高空大量投放，能夠以任意姿態(tài)在各種地形下著陸，著陸后受到外部風(fēng)力驅(qū)動，可開展大范圍、長距離的分布式移動探測，而不受攜帶能源有限等問題影響。不過，這種機(jī)器人被動地依靠風(fēng)力驅(qū)動產(chǎn)生滾動運動，存在運動方向及軌跡不可控等問題，攜帶負(fù)載的能力也相對有限，需要根據(jù)特定的任務(wù)進(jìn)行選擇，并且要求探測的星球表面本身能夠提供風(fēng)能。

2.3 小型跳躍機(jī)器人

2.3.1 面向星球探測任務(wù)的小型跳躍機(jī)器人

早在20世紀(jì)50年代末，Oberth[25]便提出利用小型跳躍機(jī)構(gòu)進(jìn)行星球探測的構(gòu)想。目前，日本在小行星表面移動探測領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平。日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)(Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA) 與東京大學(xué) (University of Tokyo) 聯(lián)合研制的微小型跳躍機(jī)器人 MINERVA-I[26]，為正十六角棱柱體構(gòu)型，自重僅0.59 kg，外表面覆蓋太陽能電池板，棱柱體兩端的針刺狀結(jié)構(gòu)起到緩沖減振和保護(hù)支撐作用 (見圖10 (a))。2005年，MINERVA-I 搭載“隼鳥”號 (Hayabusa) 探測器在距離絲川小行星 (Itokawa) 表面200 m高度處釋放，計劃采用無源被動的方式著陸，但最終因控制問題未能成功著陸。

2014年，日本發(fā)射了“隼鳥2”號 (Hayabusa2) 龍宮小行星 (Ryugu) 探測器，搭載了3個 自重為1.1 kg的 MINERVA-II[27](見圖10 (b)) 和1個 MASCOT[27-29](見圖10 (c)) 小型跳躍機(jī)器人。其中，MASCOT 由德國宇航中心 (Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt，DLR) 和法國空間研究中心 (Centre National d'Etudes Spatiales，CNES) 合作研制，采用立方體鋁合金框架式結(jié)構(gòu)，自重13.5 kg，由鋰電池供電，設(shè)計壽命16 h，框架內(nèi)部安裝了偏置飛輪，通過電機(jī)驅(qū)動飛輪產(chǎn)生反作用力實現(xiàn)調(diào)姿和跳躍運動。

圖10 日本研制的小行星探測小型跳躍機(jī)器人Fig.10 Small jumping robots for asteroids developed in Japan

2018年9月，兩個 MINERVA-II1 機(jī)器人在距離龍宮表面 (重力加速度約為1g/66 500) 約55 m高度釋放，首次實現(xiàn)了小行星表面安全著陸，并返回了在小行星表面拍攝的照片。2018年10月，MASCOT 在距龍宮表面約60 m高度釋放，在11 min內(nèi)經(jīng)過多次反彈并最終成功著陸，此后完成了多次跳躍移動探測任務(wù)。2019年10月，“隼鳥2”號在距離龍宮小行星表面約1 km高度處投放了最后一個 MINERVA-II2 跳躍機(jī)器人。

由斯坦福大學(xué) (Stanford University) 的Pavone 主導(dǎo)并聯(lián)合 NASA 和麻省理工學(xué)院 (Massachusetts Institute of Technology) 研制的小型跳躍機(jī)器人，用于火衛(wèi)一 (Phobos) 等小行星表面著陸巡視探測 (見圖11(a))。該球形跳躍機(jī)器人外部布滿“尖刺”，起到緩沖減振、保護(hù)支撐和制動作用，內(nèi)部有3個相互正交的飛輪，單次水平跳躍距離約為10 m (火衛(wèi)一表面，重力加速度約為1g/1 600)，但運動精度較低，僅為10%～20%[30]。

為便于加工和運輸，同時受到立方星CubeSate3[31]構(gòu)型的啟發(fā)，斯坦福大學(xué)研制的Hedgehog 概念機(jī)器人采用立方體8U構(gòu)型，棱邊通過3D打印加工，8個角處的泡沫球和“尖刺”起到保護(hù)和碰撞緩沖減振作用，通過在內(nèi)部兩個側(cè)面和底面的三個飛輪的高速轉(zhuǎn)動，提供跳躍的反作用力[32-33](見圖11(b))。該機(jī)器人完成了多次模擬微重力環(huán)境的拋物線失重飛行試驗及沙地跳躍逃脫試驗，可在微重力環(huán)境 (0.002g) 中實現(xiàn)滾動、跳躍、旋轉(zhuǎn)和急停制動等動作[34]，能夠應(yīng)對沙地凹坑和凸起障礙物等崎嶇地形。

圖11 Pavone等設(shè)計的小行星探測小型跳躍機(jī)器人Fig.11 Small jumping robots for asteroids developed by Pavone team

蘇聯(lián)的 Phobos-2 探測器攜帶的小型跳躍機(jī)器人 PROP-F[35]，計劃進(jìn)行火衛(wèi)一探測。該機(jī)器人采用圓柱體構(gòu)型，其中一端為半球體，通過電機(jī)驅(qū)動彈簧儲能裝置，被壓縮的儲能彈簧瞬間釋放后產(chǎn)生跳躍運動，落地后姿態(tài)可調(diào)整。但該任務(wù)最終因飛船通信故障而失敗。

美國麻省理工學(xué)院設(shè)計的球形跳躍機(jī)器人 Microbots[36-37](見圖12(a))，通過球體底部具有高能量密度的絕緣橡膠驅(qū)動四桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生跳躍運動。仿真結(jié)果表明，該機(jī)器人在火星表面的水平和垂直跳躍距離分別可達(dá)1 m和1.5 m，最大起跳頻率為60 次/h。該項目計劃在火星等星球表面的洞穴、地表裂縫等大型探測器難以到達(dá)的特殊區(qū)域開展大規(guī)模著陸巡視探測 (見圖12(b))。

圖12 Microbots 及其分布式探測概念示意圖[36]Fig.12 Microbots and their schematic diagram of distributed detection concept[36]

2.3.2 地面用小型跳躍機(jī)器人

日本東京工業(yè)大學(xué) (Tokyo Institute of Technology) 的 Tsukagoshi 等[38]研制的兩輪式機(jī)器人 Leg-in-Rotor (見圖13 (a))，目前已研制了三代樣機(jī)。該機(jī)器人在輪軸上安裝了氣泵儲能裝置，在硬地面上能夠跳過1 m高的障礙物，還具有輪式移動系統(tǒng)的快速移動能力，可實現(xiàn)全方位移動。

同樣采用氣泵驅(qū)動，美國波士頓動力公司 (Boston Dynamics) 研制的四輪式跳躍機(jī)器人 Sand Flea[39](圖13 (b))，通過輪軸上的氣泵驅(qū)動活塞產(chǎn)生跳躍運動，垂直起跳高度可達(dá)7.6 m。Sand Flea的車輪采用蜂窩狀彈性材料，質(zhì)量輕且具有著陸緩沖減振能力，在空中飛行期間利用內(nèi)置陀螺儀保證姿態(tài)穩(wěn)定性。

圖13 地面用小型跳躍機(jī)器人Fig.13 Small jumping robots used on earth

瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院 (Eidgen?ssische Technische Hochschule Zürich) 研制的跳躍機(jī)器人 Cubli[40]，為立方體構(gòu)型，內(nèi)部利用直流無刷電機(jī)驅(qū)動3個陀螺儀內(nèi)的飛輪，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、翻滾移動及制動等動作，通過飛輪高速轉(zhuǎn)動過程中突然制動產(chǎn)生的反作用力實現(xiàn)跳躍，姿態(tài)調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，可實現(xiàn)任意一角點處穩(wěn)定著地[41]。

與 Cubli 的原理相似，麻省理工學(xué)院 CSAIL 實驗室的 Romanishin 等[42]研制的模塊化立方體跳躍機(jī)器人 M-blocks (見圖13 (c))，能夠翻滾、移動和跳躍。此外，M-blocks 的各模塊間可自重構(gòu)為多種構(gòu)型，模塊本身和模塊組合體都具有移動能力。2019年，該實驗室對初始版本的M-blocks進(jìn)行了改進(jìn)，通訊系統(tǒng)具有更高的可拓展性，模塊間的自主決策和協(xié)作能力得到進(jìn)一步提高[43]。

此外，其他地面用小型跳躍機(jī)器人也具有良好的跳躍靈活性與著陸姿態(tài)調(diào)整能力，如美國加州大學(xué)伯克利分校 (University of California, Berkeley) 研制的夜猴仿生腿式跳躍機(jī)器人 Salto[44]，賓夕法尼亞大學(xué) (University of Pennsylvania) 研制的輪式跳躍機(jī)器人 RHex Lite[45](翻滾后可自我調(diào)整) (見圖13 (d))；其中，日本千葉工業(yè)大學(xué) (Chiba Institute of Technology) 研制的 QRoSS 跳躍機(jī)器人[46](見圖13 (e)) 和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院研制的蚱蜢仿生跳躍機(jī)器人[47](見圖13 (f))，在機(jī)構(gòu)外部增加柔性籠形保護(hù)罩，有效提高了著陸緩沖減振性能。

小型跳躍機(jī)器人按照驅(qū)動和運動機(jī)理的不同主要可以分為3類：通過自身彈性機(jī)構(gòu)、氣動驅(qū)動、飛輪反作用力等方式產(chǎn)生跳躍運動；與傳統(tǒng)輪式、球形等移動機(jī)構(gòu)復(fù)合并豐富了運動方式。跳躍機(jī)器人擁有離散的落地點，運動性能受地形的限制小，單次跳躍可以移動較遠(yuǎn)距離，越障及復(fù)雜地形適應(yīng)能力強(qiáng)。此外，由于小行星的質(zhì)量和體積小、引力弱且分布不規(guī)則、表面地形復(fù)雜多變，導(dǎo)致傳統(tǒng)的輪式等移動系統(tǒng)與地面的摩擦力變得很小，牽引性能無法滿足要求[48]，而小型跳躍機(jī)器人卻能夠通過跳躍方式著陸和移動，具有獨特優(yōu)勢。

面向星球表面著陸巡視一體化探測任務(wù)，小型跳躍機(jī)器人亟待解決的問題包括：適應(yīng)高空著陸的緩沖減振機(jī)構(gòu)及材料的開發(fā)；提高起跳角度、方向和距離控制的精確性，以更好適應(yīng)復(fù)雜地形；連續(xù)起跳前的重心或姿態(tài)調(diào)整能力；能量的存儲與釋放技術(shù)，并提高能源利用效率。

2.4 張拉整體機(jī)器人

張拉整體結(jié)構(gòu)是由數(shù)個彼此分離的受壓構(gòu)件和連續(xù)的受拉構(gòu)件相互連接而成自應(yīng)力平衡的穩(wěn)定空間結(jié)構(gòu)。1948年，F(xiàn)uller等[49]首次提出“張拉整體” (Tensegrity) 一詞，其后，Pugh[50]、Motro[51]、Roth[52]、Connelly[53]等學(xué)者分別從各自角度給出了定義。張拉整體結(jié)構(gòu)按照節(jié)點處受壓構(gòu)件的數(shù)量可分為不同的類型，為簡化結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，絕大多數(shù)采用節(jié)點處為單個受壓構(gòu)件的 I 類張拉整體結(jié)構(gòu)。

在自然界中有不少動物具有極高的身體柔韌性，如美洲豹在捕獵期間能夠經(jīng)受住從懸崖上跌落后著地的沖擊力。而張拉整體結(jié)構(gòu)同樣兼具剛性結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)的特點，既可以通過對結(jié)構(gòu)施加一定的張緊力使整體結(jié)構(gòu)不至垮塌，又具有良好的柔性以吸收碰撞沖擊。張拉整體機(jī)器人在該結(jié)構(gòu)上增加了主動的驅(qū)動力，通過自身形變改變重心位置從而實現(xiàn)移動，具有質(zhì)量輕、可折疊等特點，可有效減小儲運體積，便于在星球表面開展大規(guī)模的著陸巡視一體化探測，不受著陸地形的限制。

目前，張拉整體機(jī)器人的驅(qū)動方式主要有智能材料驅(qū)動和電機(jī)驅(qū)動兩種，驅(qū)動機(jī)構(gòu)分為桿驅(qū)動、索驅(qū)動和混合驅(qū)動，其中大部分采用索驅(qū)動。國外的研究機(jī)構(gòu)在張拉整體機(jī)器人找形、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析、靜/動力學(xué)和控制等理論及應(yīng)用方面開展了廣泛而深入的研究 (見表2)[54-72]。

3桿9索構(gòu)型為最簡單的張拉整體機(jī)器人，僅能實現(xiàn)最基本的滾動運動，運動效率低且減振性能差。然而桿和索的數(shù)量過多又會導(dǎo)致機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和控制過于復(fù)雜。不少學(xué)者基于6壓桿構(gòu)型開展了大量研究，其構(gòu)型為平面對稱的二十面體，是接近球體結(jié)構(gòu)中最簡單的形式，具有良好的緩沖減振和移動性能，主要有滾動和蠕動兩種步態(tài)，在相對平坦的地形中，滾動步態(tài)移動速度快，蠕動步態(tài)則移動效率較低；但在斜坡等地形中采用蠕動步態(tài)的運動更加穩(wěn)定。

表2 國外研制的張拉整體機(jī)器人Table 2 Tensegrity robots developed abroad

日本立命館大學(xué) (Ritsumeikan University) 的Shibata 和Hirai[54]研制的6壓桿張拉整體機(jī)器人，采用24根形狀記憶合金 (SMA) 線圈驅(qū)動，剛性壓桿為亞克力空心管；橡皮筋作為被動拉索提供結(jié)構(gòu)張緊力，能夠完成基本的滾動運動。Hirai 和 Imuta[55]研制的另一款6壓桿張拉整體機(jī)器人，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用24根 McKibben 氣動人工肌肉。

動物的肌肉骨骼系統(tǒng)類似于一種張拉結(jié)構(gòu)，柔性的肌肉、肌腱和筋膜相當(dāng)于繩索，堅硬的骨骼類似于剛性壓桿。受此啟發(fā)，美國加州大學(xué)圣地亞哥分校的王志堅等[56]研制了微小型6桿24索張拉整體機(jī)器人，柔性繩索采用液晶彈性體 (Liquid Crystal Elastomer，LCE) 和碳納米管 (Carbon Nano-metre Tube，CNT) 組成的人工肌肉復(fù)合纖維。其中，液晶彈性體是一種能夠?qū)⑵浞肿咏Y(jié)構(gòu)直接地轉(zhuǎn)化為宏觀形狀且變形可逆的材料[57]，受到紅外光照射升溫并產(chǎn)生收縮，最大收縮比可達(dá)40.5%，驅(qū)動單根繩索，即可精確控制運動。該機(jī)器人的最大載荷自重比達(dá)7.5，顯著優(yōu)于大多數(shù)現(xiàn)有的機(jī)器人，在平坦硬地面、細(xì)沙地、石子路面等多種非結(jié)構(gòu)化地形均具有良好運動性能。

同樣采用智能材料驅(qū)動，韓國成均館大學(xué)(Sungkyunkwan University) 的 Chung等[58]開展了基于扭轉(zhuǎn)預(yù)應(yīng)變形狀記憶合金 (電流驅(qū)動) 驅(qū)動的張拉整體機(jī)器人研究，研制的機(jī)器人樣機(jī)能實現(xiàn)快速滾動和跳躍運動。

NASA 在張拉整體機(jī)器人研究領(lǐng)域最具代表性，主要采用電機(jī)驅(qū)動。從2011年開始，艾姆斯研究中心 (Ams Research Center) 開展了張拉整體機(jī)器人研究，計劃在土衛(wèi)六 (Titan) 表面 (有大氣層和甲烷湖泊及沙丘等) 進(jìn)行大規(guī)模高空投放，機(jī)器人由扁平折疊狀態(tài)展開成球狀，通過自身形變緩和著陸沖擊，著陸后開展移動探測[60](見圖14)。預(yù)計著陸速度為15 m/s (Titan表面)，相當(dāng)于從地球表面10 m高度自由跌落的著地速度。

圖14 張拉整體機(jī)器人高空投放及分布式探測示意圖[60]Fig.14 Schematic diagram of high altitude launching and distributed detection of tensegrity robots[60]

在 NASA 資助下，比利時根特大學(xué) (Ghent University) 的 Caluwaerts[61]研制的ReCTeR (Reservoir Compliant Tensegrity Robot) 概念樣機(jī)，外形近似于球體，可折疊成扁平狀 (見圖15(a))，為欠驅(qū)動系統(tǒng)，在6個低功率直流電機(jī) (4.5 W) 驅(qū)動下改變線性彈簧拉索長度使機(jī)器人折疊、展開和滾動。該機(jī)器人的壓桿端部安裝了力敏電阻傳感器，反饋與地面間的作用力；張力彈簧安裝了力傳感器，反饋驅(qū)動力。該機(jī)器人通過了地面1 m 高度的自由跌落著陸試驗。

圖15 NASA 牽頭研制的張拉整體機(jī)器人Fig.15 Tensegrity robots developed by NASA

在創(chuàng)新先進(jìn)概念計劃 (NIAC) 的資助下，NASA 領(lǐng)導(dǎo)研制了面向星球探測應(yīng)用的SUPERball (Spherical Underactuacted Planetary Exploration Robot) 張拉整體機(jī)器人 (見圖15 (b))，由 Bruce[62](加州大學(xué)圣克魯茲分校 (University of California, Santa Cruz)) 和 Sabelhaus[63](加州大學(xué)伯克利分校) 等負(fù)責(zé)機(jī)械和電子系統(tǒng)設(shè)計，Iscen[64](俄勒岡州立大學(xué) (Oregon State University)) 和 Despraz (瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院) 等完成控制系統(tǒng)設(shè)計和動力學(xué)仿真。該機(jī)器人同樣為欠驅(qū)動系統(tǒng) (12個無刷直流電機(jī)驅(qū)動)，壓桿末端安裝應(yīng)變片式力傳感器用于檢測驅(qū)動繩索和被動繩索的受力。利用 NASA 開發(fā)的專用仿真軟件 NTRT (NASA Tensegrity Robotic Toolkit) 完成了張拉整體機(jī)器人簡化模型的仿真分析，并進(jìn)行了樣機(jī)10 m高度自由跌落試驗，機(jī)器人著陸調(diào)整后能進(jìn)行滾動運動[65]。

同樣采用電機(jī)驅(qū)動，加州大學(xué)伯克利分?？臻g張力實驗室 (Berkeley Emergent Space Tense-grities Lab) Agogino 團(tuán)隊的 Kim 等[66-69]設(shè)計了6壓桿構(gòu)型的 TT-1 (見圖16 (a))、TT-2 (見圖16 (b))、TT-3 (見圖16 (c)) 和12壓桿構(gòu)型的T12-R (見圖16 (d)) 等張拉整體機(jī)器人。其中，TT-1 和 TT-2 的壓桿分別采用木質(zhì)和玻璃纖維材料，通過24個線性驅(qū)動器 (替代繩索) 的伸縮使機(jī)器人變形移動。線性驅(qū)動器能產(chǎn)生較大的驅(qū)動力，但同時也使得機(jī)器人的結(jié)構(gòu)剛度變大，導(dǎo)致緩沖減振性能降低。TT-3 增加了氮氣推進(jìn)器使機(jī)器人能夠產(chǎn)生跳躍運動，壓桿中間為3D打印而成的“膠囊”狀中空圓柱，將電機(jī)等電子器件均安裝在桿內(nèi)。仿真分析結(jié)果表明，TT-3 的最大跳躍高度可達(dá)200 m。T12-R 為平面對稱的菱方八面體結(jié)構(gòu)，其運動軌跡為直線，相比6壓桿構(gòu)型的“之”字形滾動軌跡，能量利用效率更高，移動速度更快，不過結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)也更加復(fù)雜。

Agogino 團(tuán)隊的 Chen 等[70-71]設(shè)計的 TT-4mini張拉整體機(jī)器人，電機(jī)固定在壓桿中間位置，控制器等硬件安裝在結(jié)構(gòu)的幾何中心 (見圖16 (e))。仿真結(jié)果表明，采用雙線纜交替驅(qū)動時，該機(jī)器人的最大爬坡角度可達(dá)26° (SUPERball 為11.3°)。

2019年，Agogino 將張拉整體機(jī)器人應(yīng)用于災(zāi)難救援。在測試中，該機(jī)器人通過無人機(jī)攜帶從高于180 m的高空投擲到石堆中，著陸后能夠立即在周圍崎嶇地形環(huán)境中開展移動勘測并傳回數(shù)據(jù) (見圖16 (f))。

圖16 Agogino 團(tuán)隊研制的張拉整體機(jī)器人[66-71]Fig.16 Tensegrity robots developed by Agogino team[66-71]

國內(nèi)在張拉整體機(jī)器人研究領(lǐng)域的起步較晚，但近年來不少研究機(jī)構(gòu)在相關(guān)基礎(chǔ)理論和樣機(jī)研制與試驗方面取得了積極進(jìn)展[73-76]。中國科學(xué)院沈陽自動化研究所(SIA)基于6桿24索張拉整體機(jī)器人構(gòu)型，先后研制了兩代樣機(jī)。第一代樣機(jī)采用24根氣動人工肌肉 (FESTO) 作為拉伸執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以壓縮空氣為動力源，自重2.8 kg (見圖17 (a))。該機(jī)器人能夠在平坦硬地面實現(xiàn)簡單的滾動和蠕動運動[77-78]。

為實現(xiàn)張拉整體機(jī)器人的連續(xù)運動，項目組開發(fā)了第二代電機(jī)驅(qū)動原理樣機(jī)[79](見圖17 (b))，自重7.7 kg，壓桿采用中空的圓柱體狀結(jié)構(gòu)，壓桿兩端為方形殼體，內(nèi)部集成了驅(qū)動舵機(jī)、干電池和控制系統(tǒng)等元件，拉索由繩索和張拉彈簧通過中間的動滑輪連接而成以增大輸出力；方形殼體外端為半球狀泡沫。該機(jī)器人能夠產(chǎn)生連續(xù)的變形滾動步態(tài)，同時基于遺傳算法實現(xiàn)了蠕動運動步態(tài)的精確控制。

圖17 沈陽自動化研究所研制的張拉整體機(jī)器人[77-79]Fig.17 Tensegrity robots developed by SIA[77-79]

針對本節(jié)中分析的張拉整體機(jī)器人在著陸和滾動過程中容易造成壓桿磨損或損壞等情況，可采用在壓桿端部固定鋼球或球狀硅膠保護(hù)罩等措施，增加節(jié)點強(qiáng)度和摩擦系數(shù)。國內(nèi)外研制的張拉整體機(jī)器人，采用電機(jī)驅(qū)動繩索產(chǎn)生形變運動的居多，控制方法相對成熟，但樣機(jī)相對較重；而采用智能材料驅(qū)動的張拉整體機(jī)器人，可有效降低機(jī)器人本體的質(zhì)量和體積。不過，形狀記憶合金和人工肌肉等為強(qiáng)非線性系統(tǒng)，存在驅(qū)動響應(yīng)速度低、伸縮驅(qū)動力小、難以實現(xiàn)精確的位置及速度控制等諸多共性難題亟待解決。此外，采用氣動人工肌肉驅(qū)動的張拉整體機(jī)器人，存在驅(qū)動設(shè)備外置等缺陷，在樣機(jī)變形滾動試驗中不可避免地發(fā)生軟管纏繞等問題并阻礙連續(xù)運動，因此，只有實現(xiàn)氣動裝置的微型化并集成內(nèi)置才能有效解決這一問題。

3 結(jié)論與展望

本文對著陸巡視一體化探測機(jī)器人的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)論述，面向不同星體表面的著陸巡視一體化探測，應(yīng)根據(jù)探測機(jī)器人的特點和任務(wù)需求選擇特定的類型 (表3)。此外，不局限于上文中總結(jié)的4類，還包括如 NASA 研制的可拋擲輪式機(jī)器人 PUFFER[80]等，面向洞穴等特殊地形的星球探測任務(wù)。它們的共同特點是都具備高空著陸緩沖減振功能和復(fù)雜地形環(huán)境適應(yīng)能力，滿足著陸巡視一體化任務(wù)需求。

表3 著陸巡視一體化機(jī)器人分類及性能比較Table 3 Classification and performance comparison of integrated landing and moving robots

近年來，以美國為代表的各航天強(qiáng)國在深空探測領(lǐng)域不斷取得突破性進(jìn)展的同時，積極拓展新型的星球表面探測方式，研制了多種具備著陸巡視一體化功能的探測機(jī)器人。中國也提出了相關(guān)技術(shù)研究的迫切需求[81]。當(dāng)前，著陸巡視一體化機(jī)器人的研究尚處于起步階段，隨著人類探索宇宙的距離更加遙遠(yuǎn)，任務(wù)更加多樣化，星球表面探測器將逐漸由功能單一向功能多樣化的方向發(fā)展。因此，著陸巡視一體化機(jī)器人是未來深空探測領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢。

未來有待于進(jìn)一步深入研究的難題及可能的解決途徑總結(jié)如下：

1) 著陸緩沖減振技術(shù)。探測移動機(jī)器人通過自身彈性機(jī)構(gòu)緩和沖擊，著陸變形調(diào)整后可直接開展巡視探測。應(yīng)拓展大多傳統(tǒng)腿式著陸器采用的多孔蜂窩、薄壁金屬管等一次性緩沖器的方式，開展適應(yīng)星球表面苛刻環(huán)境的抗沖擊柔性機(jī)構(gòu)和智能材料研究。

2) 復(fù)雜非結(jié)構(gòu)化地形下的運動能力。為適應(yīng)星球表面低重力、氣候惡劣和地形苛刻等特殊環(huán)境，探測機(jī)器人應(yīng)具有良好的越障性、運動靈活性和附著牽引性能，除大型腿式機(jī)器人外 (著陸姿態(tài)及地形要求高)，其他小型探測機(jī)器人應(yīng)能夠以任意姿態(tài)著陸后具備自主調(diào)整和運動恢復(fù)能力，著陸地點及移動區(qū)域不受地形的限制。

3) 多機(jī)器人系統(tǒng)分布式協(xié)同探測。采用單一的移動機(jī)器人進(jìn)行探測，作業(yè)能力有限，并且存在高風(fēng)險和高不確定性等問題，一旦遭遇系統(tǒng)故障或者損壞，探測任務(wù)就可能提前終止。為提高探測任務(wù)的可靠性和作業(yè)范圍，有必要開展多機(jī)器人系統(tǒng)分布式協(xié)同探測，綜合利用人工智能算法等手段，解決多機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)和運動軌跡規(guī)劃等問題，使得單次任務(wù)便能夠?qū)崿F(xiàn)多個探測目標(biāo)。