星球探測機器人研究現(xiàn)狀與發(fā)展展望

于登云，潘 博，馬 超

(1. 中國航天科技集團有限公司，北京 100048；2. 北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

0 引 言

星球探測機器人是指能夠適應(yīng)地外天體表面環(huán)境,在星球表面平臺固定或移動并攜帶科學探測儀器開展探測等活動的機器人。其主要優(yōu)勢包括拓展科學探測范圍;滿足科學儀器移動探測的需求;克服著陸精度的影響,運動到感興趣的科學探測目標位置,解決科學探測目標實現(xiàn)與工程實施著陸點選取之間的矛盾[1-2]。人類深空探測活動極大地促進了星球探測機器人的發(fā)展。自20世紀70年代以來,星球探測機器人被廣泛應(yīng)用于地外天體巡視探測、行星表面及深層采樣等任務(wù),尤其在月球、火星等探測任務(wù)中發(fā)揮了重要的作用,取得了諸多珍貴的探測成果[3-6]。

蘇聯(lián)分別在1970年和1973年的“月球”17號(Luna 17)探測器和“月球”21號探測器任務(wù)中攜帶了“月球車”1號(Lunokhod 1)和“月球車”2號成功落月。“月球車”1號是人類航天史上第一輛月球車,開啟了星球探測機器人巡視探測的新紀元。

美國在星球探測機器人領(lǐng)域起步較早,尤其在火星探測方面,先后實現(xiàn)了三代火星車在火星表面的巡視探測,在高可靠、長壽命、智能導航與多手段探測等方面領(lǐng)先。2020年美國發(fā)射的“毅力”號火星車攜帶并驗證了無人機火面飛行技術(shù),開啟了移動機器人+飛行機器人協(xié)同探測的新階段。

中國的星球探測機器人始于“玉兔”號月球車?！坝裢谩碧柡退逆⒚谩坝裢谩?號分別實現(xiàn)了月球正面和背面的巡視探測,邁出了中國星球巡視探測的第一步,使中國成為世界上第三個實現(xiàn)地外天體巡視探測的國家。2021年“祝融”號火星車實現(xiàn)中國首次火星表面巡視探測,使中國成為世界上第二個實現(xiàn)火星巡視探測的國家。

隨著天問二號小行星探測、天問三號火星采樣返回、探月工程四期月球科研站基本型建設(shè)等重大工程任務(wù)的逐步開展與實施,中國深空探測的深度和廣度進一步提升。在此背景下,星球探測機器人的作用愈發(fā)重要。本文在對星球探測機器人分類及其特點進行總結(jié)分析的基礎(chǔ)上,分別以月球、火星及小行星探測為例,系統(tǒng)介紹了國內(nèi)外深空探測任務(wù)星球探測機器人的發(fā)展現(xiàn)狀,并對中國后續(xù)深空探測任務(wù)星球探測機器人的需求與挑戰(zhàn)進行了分析,提出了星球探測機器人未來發(fā)展所急需突破的主要關(guān)鍵技術(shù),以期為中國星球探測機器人的設(shè)計、研究與應(yīng)用提供參考。

1 分類及特點

1.1 星球探測機器人分類

星球探測機器人主要包括平臺固定類探測機器人和平臺移動類探測機器人,其中平臺移動類探測機器人又可分為輪式探測機器人、跳躍式探測機器人和旋翼式探測機器人等。

早期深空探測任務(wù)中,平臺固定類探測機器人較為常見,如美國的“鳳凰”號探測器、“洞察”號探測器等。平臺固定類探測機器人往往以機械臂為主,用以執(zhí)行規(guī)定的動作,如樣品采樣、封裝及轉(zhuǎn)移釋放等動作,機械臂末端執(zhí)行器可依據(jù)任務(wù)要求設(shè)計成特定形式的機械部件。目前工程成功應(yīng)用的平臺移動類探測機器人多為輪式星球探測機器人,如美國的“好奇”號、“毅力”號以及中國的“玉兔”號、“祝融”號等。輪式星球探測機器人具有機械結(jié)構(gòu)簡單、運動速度較快和控制容易等優(yōu)點,但對復雜未知非結(jié)構(gòu)環(huán)境(如松軟土質(zhì)或巖石密集的星球表面)的適應(yīng)能力較差[7]。跳躍式星球探測機器人跳躍方式受地形約束小、運動靈活,相比于輪式探測機器人能夠更好地完成復雜地形下的探測任務(wù),在小行星、彗星等小天體探測領(lǐng)域具有較大優(yōu)勢,如日本的MINERVA-I[8]、MINERVA-II和德國的MA-SCOT[9-11]等。旋翼式星球探測機器人適用于對具有大氣環(huán)境的星體實施探測,如與“毅力”號一起抵達火星的旋翼式探測機器人“機智”號(Ingenuity),其可通過借助大氣環(huán)境提供的升力以較低的能源代價實現(xiàn)較遠距離的飛行探測。

1.2 星球探測機器人特點

星球探測機器人的任務(wù)可以概括為:適應(yīng)目標天體表面的各種環(huán)境,攜帶科學儀器開展移動探測活動,將探測數(shù)據(jù)回傳及實施采樣,甚至原位分析,并在未來還將擔負基地建造、運營等任務(wù)。其主要功能包括適應(yīng)任務(wù)全過程的力學環(huán)境和空間環(huán)境;著陸后安全到達星球表面;通過環(huán)境感知了解探測器周圍環(huán)境信息,規(guī)劃路徑并運動至目標位置;對感興趣的科學目標進行就位探測、篩選、取樣、存貯及轉(zhuǎn)移;建立測控與通信鏈路,接受指令,并將探測數(shù)據(jù)及分析結(jié)果傳回地面。平臺移動類探測機器人還應(yīng)具備與地形條件相匹配的前進、后退、轉(zhuǎn)向、爬坡、越障等能力。相應(yīng)地,上述功能需求使得星球探測機器人在移動、能源、感知與導航、控制、熱控等方面與其它航天器有著不同的特點。

在移動方面,平臺移動類探測機器人的移動能力關(guān)系到星球探測機器人在星表地形下的通過能力,因此至關(guān)重要。蘇聯(lián)“月球車”1號是一輛8輪月球車,移動底盤對稱裝配8套扭力梁式獨立懸架機構(gòu),轉(zhuǎn)向通過兩側(cè)車輪差動實現(xiàn),但其在月面行駛過程中遇到了車輪在疏松凹陷月壤中空轉(zhuǎn)問題和推土效應(yīng)。美國開發(fā)的三代火星車均采用6輪獨立驅(qū)動,并使用前后共4個車輪獨立轉(zhuǎn)向的Rocker-bogie懸架形式,但是應(yīng)用中仍然遇到了車輪沉陷、打滑及磨損的問題。中國“玉兔”號月球車采用6輪驅(qū)動、4輪轉(zhuǎn)向的主副搖臂懸架形式,但搖臂采用固定式結(jié)構(gòu),收攏和展開能力不足[12]?！白Ｈ凇碧柣鹦擒嚦浞纸梃b“玉兔”號研制經(jīng)驗,采用6個驅(qū)動輪主副搖臂懸架形式及主動懸架設(shè)計,車體高度、質(zhì)心位置和輪間距可以自動調(diào)整,具有蠕動運動功能,沉陷脫困和爬坡能力得以提高[13]。

在能源方面,能源問題一直是星球探測機器人需要解決的難題,也是未來星球基地建設(shè)所要面臨的重要挑戰(zhàn)。無論是當前的星球探測機器人還是未來的星球基地,必須有穩(wěn)定充足的能源動力供應(yīng),才能為各類儀器設(shè)備、采樣作業(yè)工具以及通信導航等提供保障。蘇聯(lián)的“月球車”、美國的第一代和第二代火星車、中國的“玉兔”號月球車和“祝融”號火星車上安裝有太陽能電池板為其供給能源,但太陽能電池板嚴格受日照窗口約束,易被月塵和火塵覆蓋降低發(fā)電效率。美國第三代火星車“好奇”號和“毅力”號采用多任務(wù)同位素溫差發(fā)電機(MMRTG)代替太陽能電池板為其供給能源,探測效率和工作壽命得以較大提升。

在感知與導航方面,星球探測機器人要在目標天體自然地形環(huán)境中行駛并安全到達預(yù)定工作點,必須具備危險與障礙識別、自身姿態(tài)與位置確定、目標位置確定、路徑規(guī)劃等能力。蘇聯(lián)“月球車”1號駛抵月表后,由于攝像機安裝位置較低致使視場受限,加之受當時攝像技術(shù)限制,其回傳畫面明暗對比較強,使地面人員難以分辨石塊和凹坑。目前星球探測機器人感知與導航系統(tǒng)一般配置雙目相機,其環(huán)境感知通常采用基于相機的被動視覺環(huán)境感知方案,利用立體視覺匹配算法實現(xiàn)周圍地形三維恢復與重建。星球探測機器人的絕對定位和相對定位一般采用基于視覺系統(tǒng)的圖像匹配、基于里程計的航位推算、路標特征匹配等方法[14-17]。此外,近年來隨著NASA在人工智能與空間信息感知方面的探索,其第三代火星車已較好地支持了對火星表面高價值科學目標的自主識別與測量,大幅提升了火星車的自主生存能力和巡視探測效率。

在控制方面,星球探測機器人可分為遙操作和自主控制兩種形式。星球探測機器人的遙操作是指在相關(guān)機器人控制中把地面人員操作包含在控制回路中,任何的上層規(guī)劃和認知決策都是由地面人員下達,而探測機器人本體只是負責相應(yīng)的實體執(zhí)行。當通信時效性滿足,機器人在處理復雜任務(wù)時,尤其是在快速做出決策和處理極端情況時,遙操作將優(yōu)于器上程序控制[18-19]。但當探測任務(wù)中目標天體距離遙遠時,星球探測機器人通信時效性較難滿足,需要考慮上傳指令的時間延遲、空間遮擋、數(shù)據(jù)傳輸速率、長期可靠運行等因素。通過充分利用星球探測機器人軟硬件資源和控制資源而實施自主控制,可解決時間延遲大與星球探測機器人控制實時性要求高之間的矛盾,提升任務(wù)執(zhí)行效率[20]。

在熱控方面,星球探測機器人熱設(shè)計常面臨著地外星體表面晝夜外熱流變化較大的問題,如月球車即面臨月晝高溫下熱排散問題和月夜沒有太陽能可利用情況下溫度環(huán)境保障問題,而這一問題在月面極區(qū)低太陽高度角及永久陰影坑內(nèi)的探測過程中尤為突出。針對高溫問題,星球探測機器人一般采用設(shè)備頂面布置方式,以縮短設(shè)備到頂板散熱面的熱傳輸途徑,在極端高溫情況下利用太陽能電池板遮陽等方式加以解決;針對月夜低溫問題,利用兩相流體回路將同位素熱源的熱能在需要時引入艙內(nèi),保證溫度環(huán)境要求。星球探測機器人為解決光伏發(fā)電、電加熱控制溫度過程效率較低的問題,通常利用集熱窗技術(shù),白晝吸收熱量并將能量存儲于相變材料之中,夜晚材料凝固放熱,保證機器人及其儀器設(shè)備始終處于合適的溫度范圍[21-22]。

由上述星球探測機器人任務(wù)功能和特點可知,現(xiàn)有星球探測機器人大多具有容錯性高、環(huán)境感知能力強、擁有一定自主控制能力等優(yōu)點,但現(xiàn)階段仍存在移動速度較慢、能源獲取方式單一、遙操作反應(yīng)時間較長等不足。因此,面向未來的月球、火星長期駐留與探測任務(wù),仍需進一步研究新型移動方式、新型能源獲取方式以及新型通信、控制方式,以實現(xiàn)星球探測機器人的高機動性、高自主性、高可靠性。

2 發(fā)展現(xiàn)狀

下面分別以月球、火星、小行星等目前人類探測器涉足過的地外天體為例,將星球探測機器人研究現(xiàn)狀介紹如下。

2.1 月球探測機器人

1970年11月10日,蘇聯(lián)“月球”17號探測器成功發(fā)射,其上搭載了世界上第一輛月球車即“月球車”1號,并于11月17日在月面雨海(Mare Imbr-ium)成功著陸。著陸后“月球車”1號駛離著陸器,在月面進行了為期10個半月的科學考察。這輛月球車質(zhì)量756 kg,長2.2 m,寬1.6 m,裝有攝像機和同位素熱源裝置。它在月面上行駛了10 540 m,拍攝了20 000多張月面照片,直到1971年10月4日因同位素熱源達到使用壽命才停止工作[23-24]。1973年1月8日發(fā)射的“月球”21號探測器,把“月球車”2號送上月面,如圖1所示。該車在月面約四個月的時間里累積行駛了約39 km,成功完成了考察任務(wù)并取得了諸多成果。

圖1 “月球車”2號Fig.1 Lunokhod 2

俄羅斯聯(lián)邦航天局制定過登陸月球的“月球-全球”(Luna-Glob)計劃,原定于2012年發(fā)射,現(xiàn)已延期。其最新計劃是在2024年發(fā)射“月球”25號探測器,在月球南極附近著陸對月表進行探測,并計劃持續(xù)發(fā)射至“月球”31號探測器,最終目標是在2030年建立月球基地,但目前該計劃尚未披露探測機器人的相關(guān)詳細內(nèi)容。

美國2004年提出了重返月球計劃,宣布要向月球發(fā)射一系列無人探測器,并在2015年之前建立月球基地,開發(fā)和利用月球資源、能源和特殊環(huán)境等。2017年美國發(fā)布《太空政策1號令》(Space Policy Directive 1)調(diào)整重返月球計劃,提出啟動近月“門戶”空間站(Gateway)和“阿耳忒彌斯”計劃(Artemis Program),并為支持“阿耳忒彌斯”計劃提出了“商業(yè)月球有效載荷服務(wù)”(CLPS)計劃,該計劃將于2024年發(fā)射VIPER(Volatiles investigating polar expl-oration rover)月球車,如圖2所示,目的是前往月球南極近距離勘察水冰位置及濃度,為后續(xù)登陸及采樣返回提供支持[25-27]。

圖2 VIPERFig.2 VIPER

2022年12月11日,日本ispace公司Hakuto-R月球探測器發(fā)射,該探測器預(yù)計飛行3～5個月后著陸阿特拉斯隕石坑,并有望成為日本首個著陸月球的探測器。Hakuto-R上搭載了阿聯(lián)酋首臺月球車“拉希德”號(Rashid)和JAXA的SORA-Q可變形月球機器人?！袄５隆碧栙|(zhì)量10 kg,長535 mm,寬538.5 mm,攜帶有高分辨率相機和熱成像儀等設(shè)備,如圖3(a)所示。SORA-Q可變形月球機器人質(zhì)量250 g,寬約80 mm,帶有兩臺相機,初始構(gòu)型為球型,可沿連接軸分離為兩個半球作為車輪在月面移動并拍攝圖像,如圖3(b)所示。

圖3 “拉希德”號月球車和SORA-Q機器人Fig.3 The rover Rashid and the robot SORA-Q

中國嫦娥三號探測器搭載“玉兔”號月球車于2013年12月2日發(fā)射,開展了月面巡視勘察,如圖4所示。嫦娥四號探測器搭載“玉兔”2號月球車于2018年12月8日發(fā)射,在月球背面開展了巡視勘察。嫦娥五號探測器攜帶表取采樣機械臂于2020年11月24日發(fā)射,完成地外天體采樣返回,12月17日嫦娥五號返回器攜帶月球樣品著陸地球。

圖4 “玉兔”號月球車Fig.4 The rover Yutu

2.2 火星探測機器人

近代的火星探索始于美國和蘇聯(lián)之間在20世紀60年代的太空競賽。

1996年12月,NASA“探路者”探測器發(fā)射,攜帶了一臺名為“索杰納”的火星車,如圖5所示?！八鹘芗{”號火星車于1997年7月4日成功登陸火星,質(zhì)量只有11.5 kg,其在火星表面一定范圍對火星的巖石和土壤進行了科學探測,并于同年的9月27日停止工作,總行駛里程約100 m。

圖5 “索杰納”號火星車Fig.5 The rover Sojourner

2003年6月和7月,NASA先后發(fā)射MER(Mars exploration rover)“勇氣”號(MER-A Spirit)和“機遇”號(MER-B Opportunity)火星車,如圖6所示。“勇氣”號于2004年1月4日著陸火星,“機遇”號于2004年1月25日著陸火星。2009年“勇氣”號被困在沙土中后,于2010年3月22號失去聯(lián)系,自此地面再未收到任何通信; 2011年5月25日,NASA宣布“勇氣”號任務(wù)正式結(jié)束,總行駛里程7.73 km。2018年6月10日“機遇”號遭遇沙塵暴,在其與地球通信后隨即轉(zhuǎn)入休眠模式,自此地球再未收到其來自火星的回應(yīng); 2019年2月14日,NASA在最后一次嘗試喚醒無果后,宣布“機遇”號任務(wù)完成,“機遇”號以45.16 km的總行駛里程打破了地外天體移動紀錄[28-29]。

圖6 “勇氣”號/“機遇”號火星車Fig.6 The rover Spirit/Opportunity

2007年8月4日,NASA發(fā)射“鳳凰”號(Phoe-nix)火星著陸探測器,于2008年5月25日在火星北極成功著陸?！傍P凰”號計劃針對火星凍水層實施為期90天的探測任務(wù),用以探尋在火星干旱的表面下水存在的痕跡?！傍P凰”號搭載了用以挖取火星表面及表面下層土壤樣品的機械臂。該機械臂長2.35 m,有4個自由度,末端裝有鋸齒形刀片和波紋狀尖錐,能在堅硬的極區(qū)凍土表面挖掘。機械臂還可為裝在臂上的相機調(diào)整指向,引導測量傳導性的探測器插入土壤。2008年11月2日,“鳳凰”號發(fā)射的最后一個信號被地球接收到,至此“鳳凰”號任務(wù)正式結(jié)束[30-31]。

2011年11月26日,NASA發(fā)射火星科學實驗室(MSL)任務(wù)“好奇”號(Curiosity)火星車,于2012年7月6日成功著陸火星,如圖7所示?！昂闷妗碧柺敲绹谒呐_著陸火星的火星車,同時也是世界上第一臺采用核動力驅(qū)動的火星車,其主要任務(wù)是探索火星蓋爾撞擊坑,探尋火星上的生命元素。“好奇”號的機械臂備有鉆頭,可鉆入巖石內(nèi)部采集樣本,并在機身內(nèi)化驗后將分析結(jié)果傳回地球。截至2023年1月,“好奇”號仍在火星正常工作,行駛里程29.45 km[32-35]。

圖7 “好奇”號火星車Fig.7 The rover Curiosity

2018年5月5日,NASA“洞察”號(InSight)火星著陸探測器發(fā)射,于2018年11月26日著陸火星?！岸床臁碧柎钶d了用于部署地震儀和熱流儀的儀器部署機械臂。該機械臂長1.8 m,有4個自由度,末端為五指機械手,用于將地震儀和熱流儀放置在火星表面。在著陸火星后機械臂成功安裝了地震儀和熱流儀,同時使用鉆具在火星表面鉆出了迄今為止最深的孔洞,并對火星內(nèi)部的熱狀態(tài)進行了考察。“洞察”號攜帶的鉆具是名為“鼴鼠”的自錘式探測器,但因其設(shè)計缺陷并未能像地面預(yù)期那樣實現(xiàn)自動掘進。2022年12月21日,NASA宣布探測器電池電力耗盡,“洞察”號任務(wù)結(jié)束[36]。

2020年7月,NASA“火星-2020”任務(wù)攜帶“毅力”號(Perseverance)火星車發(fā)射,并于2021年2月抵達火星開啟巡視探測之旅,如圖8(a)所示?！耙懔Α碧栙|(zhì)量1 043 kg,攜帶有一架“機智”號火星無人機,如圖8(b)所示?！耙懔Α碧柎钶d的采樣機械臂末端由9個鉆頭組成的鉆具裝置和光譜儀等組成,它們用于收集、分析火星巖石樣本,但“毅力”號并不具備樣品返回功能,這些樣品被封存后投放在火星表面,等待后續(xù)火星探測器將其帶回[37-38]。

圖8 “毅力”號火星車和“機智”號直升機Fig.8 The rover Perseverance and the helicopter Ingenuity

中國自2011年起開啟火星探測方案論證和關(guān)鍵技術(shù)研究,2016年正式立項,通過一次任務(wù)實現(xiàn)對火星的環(huán)繞、著陸和巡視探測。2020年7月23日天問一號探測器搭載“祝融”號火星車發(fā)射,如圖9所示。2021年2月10日天問一號探測器進入環(huán)火軌道。5月15日,著陸器成功著陸火星。5月22日,“祝融”號火星車駛抵火星表面,在火星表面開展了區(qū)域巡視探測,實施了對碎石、沙丘、淺坑等多地形探測任務(wù),傳回了大量科學數(shù)據(jù)。

圖9 “祝融”號火星車Fig.9 The rover Zhurong

2.3 小行星探測機器人

近年來,美國和日本先后開展了多次針對小行星的探測任務(wù),探測形式也由飛越探測發(fā)展為就位探測、采樣返回等多種形式。其中,美國開展了形式多樣的小行星探測任務(wù),但多以繞飛探測為主;日本則成功實施了小行星采樣返回任務(wù),取得了小行星探測的領(lǐng)先地位。

2016年9月8日美國發(fā)射OSIRIS-REx(Origins spectral interpretation resource identification security regolith explorer)探測器。該探測器是美國發(fā)射的首個小行星采樣返回探測器。2018年12月3日OSIRIS-REx抵達近地小行星貝努(Bennu),12月31日進入環(huán)貝努軌道,繞飛高度距貝努約1.6～2.1 km。繞飛期間OSIRIS-REx通過相機拼接了貝努的全表面影像圖,并通過可見光與近紅外光譜儀發(fā)現(xiàn)了貝努表面廣泛分布著水合礦物和含碳物質(zhì)。2020年10月20日,OSIRIS-REx成功到達貝努表面夜鶯(Nightingale)采樣區(qū),使用其攜帶的TAGSAM機械臂(Touch-and-go sample arm mechanism)完成降落采樣,獲取了小行星表面風化層樣品。2020年10月27日OSIRIS-REx順利完成樣品封裝工作并返航,其樣品返回艙計劃于2023年9月返回地球[39]。

2003年5月9日,日本的“隼鳥”號(Hayabusa)探測器發(fā)射,其攜帶了一臺微型跳躍機器人MINERVA-I,用以實施在小行星糸川(Itokawa)表面的著陸和移動探測任務(wù)。2005年“隼鳥”號飛抵目標星,但是MINERVA-I在小行星表面投放過程中失去聯(lián)系。2007年“隼鳥”號在確認樣品采集成功后于4月25日返航。2010年6月14日樣品艙返回地球。

2014年12月3日,日本發(fā)射了“隼鳥”2號(Hayabusa 2)探測器,并攜帶了三臺微型跳躍機器人MINERVA-II1 Rover-1A、MINERVA-II1 Rover-1B、MASCOT飛往編號1999 JU3的小行星龍宮(Ryugu)。2018年6月與該小行星交會著陸,期間,“隼鳥”2號投放了微型跳躍機器人等科學設(shè)備對小行星進行近距離觀測、現(xiàn)場物質(zhì)分析并成功采集了小行星表面的沙礫、星壤等。其中,2018年9月21日“隼鳥”2號釋放MINERVA-II1 Rover-1A、MINERVA-II1 Rover-1B著陸龍宮,成功完成跳躍探測,實現(xiàn)了對小行星表面的多點探測,如圖10所示;2018年10月3日“隼鳥”2號釋放MASCOT著陸龍宮,同樣完成了跳躍和多點探測。2019年12月“隼鳥”2號從小行星出發(fā)返回地球。2020年12月樣品艙返回地球并成功回收?！蚌励B”2號在與樣品艙分離后繼續(xù)其太空之旅,預(yù)計在2031年抵達編號1998KY26的小行星進行繞飛探測。

圖10 Rover-1A、Rover-1B及MASCOT機器人Fig.10 The Rover-1A, Rover-1B and MASCOT

3 未來需求

從以上國內(nèi)外各類深空探測任務(wù)及星球探測機器人的發(fā)展現(xiàn)狀可以看出,星球探測機器人在深空探測任務(wù)中的作用愈發(fā)凸顯,并隨著任務(wù)復雜程度的提升而逐漸成為影響探測任務(wù)成敗的重要因素。

以中國后續(xù)深空探測任務(wù)為例,嫦娥六號計劃于2025年前后發(fā)射,執(zhí)行月球背面采樣返回任務(wù)。嫦娥七號計劃于2026年前后著陸于月球南極,攜帶輪式探測機器人和飛躍探測機器人開展月球南極環(huán)境探測與資源勘查。嫦娥八號計劃于2028年前后發(fā)射,攜帶多功能著陸器和若干智能操作機器人并與嫦娥七號共同組成月球科研站基本型。天問二號計劃于2025年前后發(fā)射,執(zhí)行對近地小行星的伴飛、附著、取樣返回及對主帶彗星的繞飛探測任務(wù)。天問三號計劃于2030年前后發(fā)射,執(zhí)行火星樣品采樣返回任務(wù)。在上述及未來地外天體無人探測、無人月球科研站基本型建造與運營等任務(wù)中,星球探測機器人的任務(wù)需求將擴展到不同地外天體表面的著陸、附著、巡視與數(shù)據(jù)收集、樣品采集與存儲、原位資源利用等活動,這對中國星球探測機器人技術(shù)的發(fā)展提出了更高的要求。為滿足這一發(fā)展需求,星球探測機器人將呈現(xiàn)四個主要發(fā)展趨勢,即移動能力增強化、執(zhí)行機構(gòu)多樣化、感知決策智能化和協(xié)同工作集群化。

1)移動能力增強化。在未來星球探測的任務(wù)場景中,星球探測機器人將作為地外天體探測的主要移動平臺。目前的星球探測機器人僅能以較低的速度機動,移動效率大大降低,在未來復雜星球環(huán)境下的應(yīng)用必將受到限制。隨著任務(wù)對科學載荷的搭載能力、高價值科學目標的探測能力、復雜環(huán)境下的作業(yè)能力等需求的不斷提升,對星球探測機器人在平臺負載能力、復雜地形可達能力等方面提出了更高的要求。發(fā)展趨勢具體表現(xiàn)在負載能力增強化、移動系統(tǒng)架構(gòu)復合化和可變化、移動形式多樣化等方面。

2)執(zhí)行機構(gòu)多樣化。隨著星球探測機器人執(zhí)行任務(wù)的不斷豐富,星球探測機器人需要搭載多樣化、多功能化的執(zhí)行機構(gòu)以滿足不同的任務(wù)和功能需求,如實現(xiàn)星球樣品采集、星球原位探測、物品運輸與轉(zhuǎn)移、基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建與維修等多樣化功能。發(fā)展趨勢具體表現(xiàn)在輕量化高集成度關(guān)節(jié)、輕量化可變剛度車輪及腿足、多功能末端操作工具、多模式采樣裝置等方面。

3)感知決策智能化。針對未來地外天體科研站、深空探測場景下執(zhí)行復雜新型任務(wù)的需求,對星球探測機器人的自主感知能力和決策智能化程度提出了更高的要求。如在感知方面,需進一步提升對星球表面科學目標的自主識別與測量能力;在規(guī)劃與控制方面,需進一步提升星球探測機器人的自主生存能力與協(xié)調(diào)運動控制能力,提高探測效率。發(fā)展趨勢具體表現(xiàn)在空間智能感知、空間智能決策、規(guī)劃與控制等方面。

4)協(xié)同工作集群化。機器人集群化是指由多個聚集在一定空間內(nèi)的機器人,通過相互之間有機的交互、協(xié)調(diào)和控制,使機器人群體表現(xiàn)出來的復合行為。集群協(xié)同工作將是星球探測機器人執(zhí)行未來深空探測任務(wù)的主要形式,通過多機協(xié)同提高單一探測機器人有限的探測能力、分析能力、搬運能力和操作能力,從而大幅提升探測效率。發(fā)展趨勢具體表現(xiàn)在探測機器人集群巡視、編隊勘察、協(xié)同搬運、協(xié)同裝配等方面。在未來深空探測任務(wù)中,星球探測機器人集群化有著巨大的應(yīng)用潛力。

4 主要關(guān)鍵技術(shù)

可以預(yù)見,未來深空探測任務(wù)數(shù)量將進一步增長,隨著技術(shù)研究與工程實踐的深入,星球探測機器人需求增長的同時也將面臨愈來愈多的技術(shù)挑戰(zhàn),其主要關(guān)鍵技術(shù)至少包括以下四個方面。

1)復雜環(huán)境強適應(yīng)技術(shù)。根據(jù)嫦娥七號和嫦娥八號任務(wù),中國后續(xù)月球探測任務(wù)將重點針對極區(qū)及永久陰影區(qū)水冰探測等科學目標和月球資源開發(fā)利用等工程目標開展。這要求月球探測機器人具備在月球極區(qū)及永久陰影坑重復著陸、連續(xù)行走和原位采樣分析等能力,為月球科研站建設(shè)奠定技術(shù)基礎(chǔ)?？紤]到探測任務(wù)中月球探測機器人將面臨極區(qū)低太陽高度角、永久陰影坑內(nèi)極低溫環(huán)境(最低可達38 K)、極區(qū)月貌月壤特性未知、永久陰影坑內(nèi)光照條件惡劣等任務(wù)難點,需要在極低溫環(huán)境驅(qū)動傳動、魯棒行走控制、極弱光照條件下感知規(guī)劃等方面取得技術(shù)突破,從而支撐月球極區(qū)復雜環(huán)境下的巡視與采樣探測等任務(wù)。

2)多機器人協(xié)同技術(shù)。面向中國未來月球科研站建設(shè)和運營等長期任務(wù),需要更多不同類型的星球探測機器人來滿足科研站建造、運行、科學實驗、原位資源利用等多階段、多種類的科學與工程需求,如圖11所示。星球探測機器人將面臨月面導航信息有限、信息獲取手段匱乏、月面環(huán)境下月基裝備長期工作失效機理復雜等諸多難題,迫切需要在機器人復雜環(huán)境多維度感知與融合、多機器人協(xié)同任務(wù)規(guī)劃與控制等方面取得技術(shù)突破,來支撐未來月球科研站建設(shè)和運營、原位資源利用等核心任務(wù)[40-41]。

圖11 中國未來月球科研站星球探測機器人概念圖[40]Fig.11 Conception of planetary exploration robots in China’s future lunar research station [40]

3)自主運動及智能控制技術(shù)。未來中國將實施火星樣品采樣返回和月球科研站建設(shè)等任務(wù),以進一步提升對火星和月球的認知深度,這對其探測機器人的自主運動及智能控制技術(shù)提出了新要求。比如,火星采樣返回任務(wù)可能需要火星探測機器人具備自主運動及智能控制能力,以支撐探測機器人火面巡視勘察、表面采樣封裝、樣品轉(zhuǎn)移等集成作業(yè)需求,如圖12所示。但是在火星取樣返回任務(wù)中,如果采用火星探測機器人,則其將面臨火地通信距離遠、時延大、帶寬低以及能源、天氣環(huán)境等諸多嚴苛約束,同時還需面對火星地形地貌環(huán)境非結(jié)構(gòu)化且無法完全、精確預(yù)知等任務(wù)難點,無法完成實時響應(yīng)控制,給導航定位造成極大困難。因此需在同步定位與建圖、智能自主行駛、自主健康與能量管理等方面取得技術(shù)突破,以支撐火面巡視勘察、資源探測,勘探點樣品采集、封裝、轉(zhuǎn)移,儀器投放和科學實驗等相關(guān)任務(wù)。

圖12 中國未來火星探測機器人概念圖Fig.12 Conception of China’s future Mars exploration robots

4)弱引力附著固定與采樣技術(shù)。未來小行星采樣探測將要求探測機器人實現(xiàn)在小行星表面的附著固定與采樣探測等工作,如圖13所示。但受限于小行星表面引力微弱,固定區(qū)域巖石的起伏狀態(tài)、微觀形貌、力學特性均無法準確獲知,對小行星探測機器人的固定與采樣功能的設(shè)計與驗證將帶來較大挑戰(zhàn)。特別是針對硬度高、相糙度小的巖石表面尚無有效固定手段,加之地面試驗中目標模擬物的設(shè)計也缺乏可參照的標準和經(jīng)驗,同時還存在著因微重力模擬時長有限導致的采樣、固定試驗無法進行連續(xù)和全面驗證等諸多挑戰(zhàn)。因此,需要在小行星探測機器人的設(shè)計,尤其是在其固定與釆樣裝置的創(chuàng)新設(shè)計、裝置與星球表面接觸力學分析與固定、采樣概率仿真、地面微重力模擬試驗與評估等方面實現(xiàn)技術(shù)突破,以支撐中國小行星采樣探測任務(wù)的順利實施。

圖13 天問二號探測器概念圖Fig.13 Conception of the Tianwen 2

5 結(jié)束語

星球探測機器人是地外天體探測日趨關(guān)注和發(fā)展的核心裝備。本文面向中國未來月球科研站、火星采樣返回、小行星探測等深空探測任務(wù)對星球探測機器人的需求,圍繞星球探測機器人的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢開展了綜述,概述了星球探測機器人的分類及其特點,并以月球、火星及小行星探測為例,介紹了在軌的星球探測機器人的情況。在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)總結(jié)了中國未來星球探測機器人的技術(shù)需求與挑戰(zhàn)及需突破的主要關(guān)鍵技術(shù),為未來星球探測機器人的設(shè)計與研制工作提供參考。