太空探索機器人的構思與實踐

苗文崧 趙國鋒

（鄭州中學，河南 鄭州 45000150001）

目前很多發達國家都開展了“無人”太空飛船對于太空星球的探索，“無人”太空飛船基本上可以抵達太陽系的每一個角落，它們正在探索包括小行星、彗星、行星以及矮行星在內的各種星體。人類進行太空探索的一個重要目標之一就是在太空中尋找人類宜居的星球，水源、空氣、光照、土壤、礦藏等是人類生存的基本條件，只有對所研究的星球進行實地探測，獲得詳細準確的數據，才能夠讓研究人員通過數據分析，判斷出該星球是否適合人類居住。

我們的主體思路是：“無人”太空飛船抵達降落在某個星球上之后，艙門打開，太空飛船里的探測機器人登陸星球，智能運行設定的各項功能，對這個星球的引力重力、空氣成分、光照強度、土壤成分、礦藏種類等進行探測工作。我們根據這個思路進行了多次方案論證，構思形成了相對最優的設計方案，逐塊完成了功能模塊的制作和組裝，然后進行總體合裝，再經過多次改進調試，最終實現了我們所期望的所有功能，達到了預期目標，并在世界青少年機器人奧林匹克競賽（WRO）中國區決賽項目太空挑戰創意賽中獲獎。

在結構設計上主要分為“無人”太空飛船的機械平臺和探測機器人兩大部分。機械平臺可以展開，從里面釋放出探測機器人，平臺上設置有活動式跳板，可以保證探測機器人釋放時不滑落下來并平穩行駛到地面。機械平臺上也可以裝備一些探測器、傳感器，進行一些簡單的測定任務。探測機器人由本體、車輪、中控系統、探測器、傳感器、鉆探機械手、分揀機械手等部分組成。它通過探測器、傳感器來檢測星球表面的地形地貌、重力、空氣成分、光照強度、紫外線強度、溫度、濕度等指標數據；通過鉆探機械手的鉆頭和鏟子進行巖石、土壤樣本采集；通過帶有光譜分析和顏色識別功能的探測器和傳感器進行巖石、土壤樣本的分類識別，確定撿拾目標物；通過分揀機械手進行樣本的撿拾、裝車。探測機器人在完成這些工作的同時，同步將照片、視頻、數據等信息反饋回地球的地面指揮中心，以便研究人員進行地面指揮和開展相關研究工作[1]。完成所有預定任務后探測機器人向太空飛船的機器臺發出交互指令，開動返回太空飛船的機械平臺，太空飛船返航回到地球[2]。

圖1 機械平臺和太空探索機器人結構圖

圖2 探測器和感應器（機器人展開后）

中控系統包括EV3主程序塊，6個NXT副程序塊，紅外線傳感器和空氣成分傳感器用一個Adrino單片機進行控制。主機和單片機之間用R2C傳輸通道進行通訊傳輸，R2C的帶寬較寬，可以快捷地實時傳遞信息。探測機器人下設置重力傳感器，通過這些重力傳感器可檢測計算當地的重力[3]。

圖3 中控系統結構圖

我們這個太空探測機器人的創新點是：通過探測機器人把所有探測研究裝備整合在一起，可以全方位地探測星球。每個任務是一個程序模塊，通過主程序塊把所有模塊所反饋的信息進行整合并做出分析和判斷，主控系統通過多個程序模塊采集到的信息，對整個探測任務進行進一步設計和規劃，相當于一條大船上載有很多船員，大家各司其職，主程序塊像船長一樣負責指揮調度，經過各級控制中樞分級調節之后，這個機器人就可以有條不紊地進行各項探測活動。

改進設想：①在機械平臺上搭載一些簡易的化學實驗設備，使其具備簡單的成分分析能力。②對可移動探測器的減震設施進行改善，并且改進其底盤結構，增強探測器對各種地形的適應能力。③在機械平臺上搭載具有感光能力的太陽能電池板，使機械平臺在展開之后能夠快速補充能源，在機械平臺與機器人之間建立觸點式接口連接，在它返回機械平臺時檢測器可以快速地向控制中樞傳輸探測記錄，并且快速補充能源，以便增多作業頻率，提高工作效率。

[1]孫冶.移動機器人遠程控制方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2009.

[2]（英）杰弗里斯.太空探索系列太空機器人[M].浙江：浙江教育出版社，2011.

[3]董仁威.少年科學院書庫--機器人世界[M].合肥：安徽教育出版社，2014.