面向載人月球探測任務的月面機器人系統初探

張崇峰，韓亮亮

(1.上海航天技術研究院，上海201109；2.上海宇航系統工程研究所，上海201109；3.中國航天科技集團有限公司空間結構與機構技術實驗室，上海201109)

1 引言

月球是離地球最近的地外天體，登月是實現人類對太空拓展的第一步。自1966年至今，人類成功完成了21次月球軟著陸任務，蘇聯的月球號(Luna)系列，美國的勘測者號(Surveyor)系列、阿波羅號(Apollo)系列，中國的CE-3號、CE-4號相繼登陸月球，開展了移動巡視、樣品采集、科學試驗等月面活動，取得了寶貴的科學及工程成果。著陸月球、在月表開展直接的探測作業是認識月球、利用月球最直接有效的手段。

開展載人月球探測是發展并掌握地外天體載人探測能力的有利途徑，載人月球探測、建立長期月球科研基地也是世界各航天強國的探測熱點目標。在我國載人航天工程和月球探測工程之后，我國基本具備了實施以月球為代表的載人深空探測的技術條件[1]。

迄今，有人參與的月面活動只有阿波羅登月的6次活動，主要采用了“航天員+航天服+登月艙”的配置方案，在后期任務中加入了載人月球車。阿波羅計劃中沒有配置月面機器人，隨著機器人技術的進步，在各國的探月規劃中[2-3]，月面機器人成為月面活動設施中重要的組成部分。

使用云天化鎂立硼、硝銨磷復合肥的示范田與對照田比較，前期長勢不是特別明顯，根系較對照田的更發達，中后期長勢不脫肥，抗病能力強，特別是農戶說往年出現爛根，而今年沒有爛根。

針對有人參與的月面活動，本文介紹已開展或規劃的月面活動，提出我國開展月面活動的設想，論證月面活動不同發展階段對機器人系統的任務及能力需求，并提出各階段機器人配置設想，分析月面機器人系統發展需解決的關鍵問題。

2 載人月球探測任務對月面機器人系統的需求

在未來有人參與的月面活動中，月面機器人將是月面駐留與活動系統的重要組成部分之一，其具有工作時間長、任務豐富、安全性高、極端環境適應能力強的特點，能夠輔助或協同航天員開展巡視探測、采樣分析、物資搬運、科學實驗、維修維護以及設施建造等月面任務。

在有人參與的月面活動中，配置機器人系統的優勢是明顯的，載人月球探測任務對月面機器人系統的任務及功能需求主要體現在4個方面：提高航天員的效能、極端復雜環境的預先探測、長時間自主值守、提高航天員安全性。

2.1 提高航天員工作效能

阿波羅計劃在月面的活動主要由航天員完成，主要包括月面物資搬運、月面采樣作業、月面設施安裝、月面拍攝、月面科學試驗等[4]，6次月面活動時間共計79 h 52 min。

月面機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看，月面機器人可通過替代、協作等方式分擔航天員的工作量，見表1，降低航天員出艙或遠距離作業的次數，減少航天員重復性及準備性活動，將航天員有限的月面駐留時間投入到更具智慧性的作業活動中。

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2.2 極端復雜環境的預先探測

隨著月球探測活動的深入，各國將探測的目的地瞄準了月球極區。月球極區相對于中低緯地區存在大量撞擊坑，地形環境更加崎嶇，溫度更低；對于有科學研究及工程應用價值的陰影區、熔洞[5](圖1)等地形，由于沒有光照，環月探測的先驗信息更少。為了提高航天員作業的安全性及可靠性，機器人可對航天員探測的路線進行預先巡視，排除探測路線中的危險因素，并提供收集航天員高安全、高產出地完成后續任務的地形、環境、科學探測目標等重要信息。

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

表1 機器人與航天員聯合系統月面作業建議Table 1 Suggestion on lunar operation for the robot and astronaut system

2.3 長時間自主值守

航天員返回階段后，機器人可替代航天員開展持續性的科學試驗、維修維護、物資回收、值守監測等作業任務，增強及鞏固載人月球探測的成果及效益，使月面駐留與活動系統長時間有效健康運行。

2.4 提高航天員安全性

在航天員在月面艙外工作時，機器人移動伴隨航天員，在航天員發生緊急情況時，機器人可對航天員開展輔助、救援和應急運輸返回的操作。

3 航天機器人的發展現狀

3.1 航天器艙外工作的機器人

國際空間站(ISS)是目前空間機器人系統應用較多、較成功的應用領域，配備了加拿大機械臂SSRMS(Robotic Systems for the International Space Station)、日本實驗艙機械臂JEMRMS(Japanese Experiment Module Remote Manipulator System)、靈巧機械手SPDM(Special Purpose Dexterous Manipulator)、機器人航天員Robonaut2等機器人系統，形成了大中小多規格、艙內外全范圍、工程應用與技術驗證并重的立體化配置格局[6]。機器人系統主要用于空間站組裝、貨物搬運、載荷照料、艙內外巡視、航天員輔助作業等活動，大大減輕了航天員出艙風險，減輕了航天員的工作壓力，提高了在軌作業活動的效率。2011年，國際空間站的機器人系統開展了機器人燃料加注演示任務(Robotic Refueling Mission，RRM)，實驗中靈巧機械臂SPDM利用4個特制的RRM工具(圖2)，演示全套的衛星維修和燃料加注任務，包括切割和操縱防護毯及電纜線、擰開防護蓋和接通閥門、傳輸液體等復雜操作[7]。

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

我國空間站在建造階段將配備核心艙、實驗艙機械臂2套機器人系統，核心艙機械臂主要用來完成空間站艙段轉位與輔助對接、懸停飛行器捕獲與輔助對接、支持航天員出艙活動(EVA)等[8]，實驗艙機械臂主要用以暴露載荷照料、光學平臺照料、載荷搬運、支持航天員EVA等活動[9]。

3.2 獨立行走探測的星表機器人

月球探測及火星探測中的星表巡視器也是典型的移動作業機器人系統，如蘇聯的月球車、我國的嫦娥三號巡視器“玉兔號”、嫦娥四號巡視器“玉兔二號”，以及火星巡視器如“索杰娜”、“勇氣號”、“機遇號”及“好奇號”等[10]。該類星表巡視器主要通過攜帶的工程設備或科學載荷開展作業，以實現設定的科學目標與工程目標。巡視器主要通過遠程遙操作或局部自主實現控制。

美國的“好奇號”火星巡視器(圖3)是目前最復雜的星球車，其設計行程遠、續航能力強、樣本采集能力強、任務復雜、配置了多樣的科學儀器[11]。其沿用了經典的六輪搖臂式移動機構，可翻越約65～75 cm高的障礙物，在平整堅硬的地面上行駛的最高速度可達到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(Sample Acquisition/Sample Processing and Handling System，SA/SPaH)[12]，一個2 m長5DOF的機械臂能夠操縱安裝在轉臺上的工具和5個科學儀器，包括取樣鉆機、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”火星巡視器[11]Fig.3 The Mars rover curiosity[11]

對于獨立行走探測的星表機器人，國內外研究機構也提出了較多新型機器人方案，如圖4，此類機器人突破了傳統“車”的概念，特別適應月面復雜極端的地形環境探測。

圖4 新型星表行走探測機器人方案Fig.4 Novel mobile robots for planetary exploration

3.3 面向人機協作的空間機器人

人-機-環境共融的機器人是目前地面機器人研究和發展的熱點，面向與航天員協作的機器人也是空間機器人的發展趨勢之一。

NASA研制的第2代機器人航天員Robonaut2[19-20]是典型的人機協作機器人，其在國際空間站進行了技術驗證，同時為應對出艙服務為機器人升級了雙腿的移動系統(IVA Mobility system)。俄羅斯也研制了仿人機器人SAR-401[21]，計劃面向國際空間站內部及外部操作應用。仿人的Rollin′Justin機器人[22]、具有多種運動模式的仿黑猩猩機器人[23]、四足仿生移動作業機器人[24]等為發展面向人機協作的空間機器人提供了有益的思路，見圖5。

4.3.1 航天員移動伴隨及應急救援

從載人航天空間站、月球探測、火星探測中機器人開展的活動來看，當前機器人系統的技術水平已具備了開展較豐富月面活動的能力[25]，在操作、移動、控制等方面具有了較好的工程基礎；在有人參與的月面活動中，按照當前人機協作的技術發展思路，航天員與機器人組成的人機聯合探測系統，將提升航天員的作業效益，同時也將豐富機器人的作業能力。

4 月面機器人系統構想

4.1 月面活動發展設想

機器人和自動化系統是航天員的感官和肢體的擴展和延伸，可以顯著提升航天員的工作效率和效能。在登月前無人驗證階段、航天員首次登月階段、月球站建設階段對月面機器人均有較強的配置需求。

按照月面機器人的應用特點進行劃分，月面活動可設想為3個階段：

1)機器人探測準備階段。在載人月球探測任務的初期，應首要驗證月面著陸返回能力，先期部署月面設備，為載人任務做準備?？衫脽o人著陸上升器飛行試驗的機會部署機器人系統，由機器人系統提前收集重要數據資料，提前準備航天員活動設施及工具，提前驗證關鍵技術。

圖5 面向人機協作的機器人示例Fig.5 Some examples of Tri-Co robots

2)支持航天員首次登月聯合作業階段。在載人月球探測任務的中期，主要目標為實現首次載人月球探測，后續建立月球實驗室，實現航天員短期的月面駐留。此階段機器人系統將圍繞航天員開展航天員月面活動保障、人機聯合探測，提高航天員作業效率及安全性。

3)月面科研站建設階段。在載人月球探測任務的遠期，主要目標為依靠月面資源支持實現長期駐月，建立月球站居住設施、月面電站、月面實驗室等設施，開展長期的月面科研實驗活動。此階段機器人系統主要用于資源開發、月面制造、設施建造、月面試驗等。

4.2 機器人先導巡視探測

4.2.1 著陸區域巡視詳查

為了保證航天員首次登月的安全性及提升首次任務的效益，月面機器人開展航天員登月區域的預先巡視詳查，獲取著陸區詳細的數據信息，建立三維地形。機器人需具備非結構化地形高效移動能力，如通過輪式、足式、輪足復合式等新型機構實現在月面地形的行走移動；機器人需具備自主導航及路徑規劃能力，可建立著陸點附近的高精度三維地圖，預先探索后續航天員的探測路線；機器人的主要活動區域可為中低緯地區或南極地區，可完成選址區域方圓數公里范圍多個預選地點的地形探測。

4.2.2 機器人采樣

機器人需具備樣本的識別能力，可通過自主測量或地面遠程判斷篩選有價值的樣本；機器人具備采用工具對不同幾何尺寸特征的樣本進行采集能力，采集手段包括抓取、鏟取、鉆取、敲擊等，這對采樣工具的設計及機器人對工具的使用均提出了較高的要求；機器人需具備樣本轉移能力，包括轉移至著陸上升器容器或臨時集中點。機器人采集月巖、月壤等樣本，若有返回器，機器人可裝載返回器帶回；采集樣本也可集中存儲，供載人任務時航天員集中帶回；機器人可清理預選著陸區，清除小型巖石障礙。

4.2.3 航天員工具及設施的預先布置

其次，教師應該在教學過程中突出學生的主體地位?？梢詫W生分成學習小組，引導學生針對某一案例進行討論，讓學生真正參與到學習中來。教師和學生之間的交流溝通越多，就越能夠提升學生學習的積極性和主動性，有利于提升課堂教學質量，促進學生的健康發展。

機器人可從著陸上升器卸載物資，支持后續載人任務；提前在后續載人任務預選點布置設備，包括通信天線、導航信標、能源、光源、航天員作業工具等。機器人具備對物資、設備及工具的解鎖、抓取、轉運、展開、組裝、調試的能力。

4.2.4 制氧、原位資源利用等技術先期驗證

無人驗證階段可對后續任務的關鍵技術進行先期驗證。機器人可開展技術驗證載荷的卸載、投放、展開、安裝、調試，如制水、原位制氧、月壤燒結、原位資源3D打印、月面材料長壽命生存等小樣本先期實驗載荷。為完成此類操作，機器人需具備對載荷設備的解鎖、抓取、轉運的能力，具備對科學儀器開展組裝、調試、精細操作的能力。

4.3 支持航天員首次登月聯合作業

“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。要是我媽活著不至于這樣，很心酸?！保–2,女，36歲）

機器人具備對航天員識別、自主導航、移動跟隨的能力，可實現機器人對航天員實時自主的伴隨；具備視覺跟蹤能力，通過視覺對航天員識別和云臺的跟蹤控制，實現機器人對航天員作業過程的實時拍攝；具備設備、載荷、工具等運輸的承載能力，具備運輸航天員的負載能力。機器人可移動伴隨航天員，對移動員移動作業提供保障支持，對航天員作業過程進行拍攝記錄，對航天員工具、設備進行運輸，緊急情況下可運輸航天員返回。

4.3.2 人機聯合作業

1.2.3 供試品溶液的制備 精密稱取NOR、OFL、TC、OTC、SDZ、SMZ對照品適量，用自然水(已用5 mol/L HCl調節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，用測試用緩沖溶液定容至刻線，搖勻，用0.22 μm微孔濾膜過濾即得。臨用前配制，超聲處理10 min。

機器人可與航天員開展聯合采樣、科學試驗、維修維護等作業。該需求對機器人的協作性提出了較高的要求，機器人應具備類似航天員的作業空間和作業能力，與航天員在同一現場協同作業的安全性較高。

4.3.3 機器人局部自主作業

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，奶奶教會了他一切，教他像一個正常人那樣穿衣吃飯說話，甚至讓他讀書上學，他還學會了調琴。現在奶奶要走了，他的世界一下子坍塌了，奶奶領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、那些五彩的陽光和云朵，還有人群……那些因為奶奶而構造起來的世界，也要隨奶奶走了，它們就要被風吹散了，或者轟隆一聲向他傾倒過來。

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

綜上，機器人支持航天員首次登月聯合作業階段的任務場景及典型任務如圖6所示。

圖6 支持航天員首次登月聯合作業階段設想Fig.6 Conception of the first astronaut-robot joint exploring mission

4.4 月面科研站建設任務

機器人主要圍繞月面科研站建設開展資源開采、設施建造、設備維修等主線任務(圖7)，同時可根據需求靈活配置小型機器人系統開展極端地形探測及艙內值守等支線任務。

圖7 月面科研站建設任務Fig.7 Construction tasks of lunar scientific and research station

4.4.1 月面設施的建設、組裝、3D打印

利用月面作業機器人開展航天員居住設施的建造與組裝，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、居住艙內部設備的布置及安裝；利用月面作業機器人開展太陽電池陣列組裝，建設太陽能電站；利用月面作業機器人建設月基通用中繼平臺，建立月面通信與組網。

4.4.2 月面資源采集、開采和利用

首先，從《試點辦法》第5條第2款的規定來看，值班律師的工作場所是法院和看守所。長此以往，值班律師同法院和看守所的工作人員可能會形成一種一榮俱榮、一損俱損的利益共同體關系。在這樣一種休戚與共的環境之中，如果不將值班律師定位為犯罪嫌疑人、被告人利益的維護者(辯護人)，那么值班律師很有可能將自己視為為國家服務的“國家法律工作者”，從而盡力去配合公安司法機關對認罪認罰案件的處理，這時的值班律師實際上充當了辦案人員說客的角色。如果這樣，就會對本處于弱勢一方的被告人的訴訟地位更加不利。

月面原位資源開發、利用是未來地月空間開發和月球基地建設的必要手段，可利用月面自主采礦作業機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 月面系統的精細化維修

機器人可開展居住艙、著陸上升器、載人月球車、能源通信等月面科研站設施的日常檢測、維修與維護。在月球基地無人狀態下，機器人可開展基地的維護與值守。

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例，對3路和4路相交互通增設匝道的具體設計進行系統分析：

4.4.4 極端地形環境探測

5)在不同的階段可擇機靈活搭載多種不同類型的小型極端地形探測機器人，用于開展月面極端地形探測或執行特殊任務，以擴展月面機器人的作業范圍及作業尺度。

4.4.5 艙內陪伴及值守

為解決月球基地航天員長期駐留的心理健康問題，可配置具備情感生成、表達和行為規劃能力的陪伴值守機器人。面向月球長期駐留，艙內陪伴及值守機器人也可以在無人期間開展居住艙艙內的維修、維護、長期值守。

4.5 各階段機器人配置設想

針對月面機器人在各階段的任務需求，按照有限規模、多功能集成的原則，各階段機器人的配置設想如下(圖8)：

1)在機器人先導巡視探測階段，配置1～2套多功能集成的探測作業類月面機器人系統，主要按不同著陸地區配置，目前的規模1次1個機器人比較合適，布置于中低緯地區或極區，主要定位于著陸及作業區域中遠程范圍的巡視詳查作業；

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

圖8 不同發展階段月面機器人配置設想Fig.8 The conception of robot configuration in each stage

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

3)在月面科研站建設階段，可配置多個建造工程類月面機器人，主要用于月面工程作業及長期基地的建造；

4)在提高機器人月面壽命的前提下，在不同階段配置的機器人可組成多機器人系統協同作業，提高作業的復雜度及效率；

機器人作為航天員肢體的延伸，開展極端復雜地形內的巡視、作業；機器人具備月面極端地形適應能力(月坑、崖壁、陡坡、溶洞、多障礙物環境等)。

4.6 各階段機器人方案設想

預制光纜采用預制艙內集中配線方式時，由于集中轉屏柜的預制光纜根數較多，若直接將光纜余長收納在屏柜周邊光纜槽盒內或集中轉屏柜下方，對空間要求較大，且日后檢修、維護困難。針對該問題的余長收納方案有兩種：

4.6.1 月面探測作業機器人

探測作業機器人主要開展著陸區域巡視詳查、復雜地形先期探測、資源探測、采樣、航天員工具及設施的預先布置等任務。

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，對研究我國商代前期青銅鑄造工藝的發展水平具有重大意義。

根據對任務及功能要求的分析，結合機器人發展的水平，探測作業機器人的能力及指標為：機器人質量不大于150 kg，探測距離優于10 km；移動能力速度優于1 km/h，越障高度優于0.5 m，爬坡坡度優于30°；具備自主導航能力，導航實時性優于1 s，地圖范圍優于50×50 m，地形識別準確率優于95%；具備抓取目標的目標感知能力，位置精度優于1 mm@1 m，姿態精度優于3°；具備月面通信和對地、對月球軌道站、載人月球車、航天員、著陸器、中繼星等設施的通信能力；配置太陽翼或電池自行解決能源供給問題，并可對載荷供配電。

對于探測作業機器人，其側重于中遠程范圍的高效巡視作業。本文提出的探測作業機器人方案(圖9)設想如下：

圖9 探測作業機器人設想Fig.9 Conception of lunar exploration robot

1)探測作業機器人移動具有多種實現方案(表2)，本文選擇了融合腿式地形適應能力和輪式高速高效性能的輪腿式移動機構；腿數選擇具有冗余度和高速靜態行走能力的六足形式，可實現在月面復雜地形的高效行走；

2)操作系統配置5～6 DOF機械臂及可切換的末端作業工具，實現樣品收集及載荷設備操作等作業；

3)導航系統采用雙目相機、避障相機、激光雷達、慣性組件等多傳感器進行自主導航，實現三維地圖創建；

4)有效載荷系統攜帶支持后續載人任務的信標、通信、能源等工程載荷設備，以及配置水冰探測、制氧驗證、原位資源利用驗證等科學載荷等；

5)人機交互系統主要布置于地球端，可以遙操作控制遠端的月面機器人。

航天員返回后，機器人通過遠程遙操作控制或局部自主，開展持續性的科學試驗、維修維護、物資回收等作業，鞏固及增強首次載人登月的成果及效益。機器人應提高智能化及自主水平，具備在任務級指令的控制下開展局部自主作業的能力，操作精細靈巧，作業功能多樣。

表2 機器人移動機構的特點比較Table 2 Comparison of robot mobile mechanisms

4.6.2 月面服務作業月面機器人

服務作業機器人主要開展航天員伴隨、移動輔助任務，開展航天員工具、設備運輸任務，開展與航天員采樣、維修維護、科學試驗等聯合作業的任務。

4)有效載荷主要配置用于采樣、維修維護、聯合作業的末端載荷或機載載荷；

根據各階段機器人配置的設想，本文對各階段的機器人進行了初步概念設計。

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

對于服務作業機器人，其側重可輔助、聯合及替代航天員的靈巧協作操作作業能力，本文提出的服務作業機器人方案(圖10)設想如下：

1)機器人采用“仿人上肢+移動基座”的基本配置思路，機器人上肢體型與身穿航天服的航天員的相似，方便人機系統可共享使用航天員的工作空間及工具，保證機器人對于航天員的可替代性；且對于構型及操作特點類似航天員的雙臂擬人機器人，航天員可以更自然、直觀的方式進行交互；機器人上肢由兩條7自由度的手臂、五指靈巧手或專用工具、3自由度頸部、2自由度腰部、作為傳感器平臺的頭部、軀干部分(內置機器人的核心處理器)等組成；

2)移動基座可采用輪式或足式機構，鑒于上肢結構已具有較多自由度，為降低系統復雜程度，采用4輪式移動底座；

3)導航系統在探測作業機器人的基礎上，增加航天員的肢體識別與運動跟蹤能力，實現航天員的安全規避及自然跟隨；

根據對任務及功能要求的分析，結合機器人發展的水平，服務作業機器人的能力及指標為：機器人質量不大于150 kg；機器人具備與航天員相當的操作能力，可共享航天員的操作空間及操作工具，末端操作力≥10 kg，作業半徑≥1 m，末端操作精度優于1 mm；可通過更換操作工具擴展末端作業能力，配置包括抓取、采樣、鉆取等多類典型操作工具；機器人具備多模式交互方式，機器人具有與航天員協作的高安全性；具備月面通信和對地、對月球軌道站、載人月球車、航天員、著陸器等設施的通信能力；機器人能源由機器人系統自行解決，具備對載荷的供配電能力。

5)人機交互系統包括位于地面測控中心遙操作人員端及月面航天員2套設備，遙操作可控制遠端的月面機器人，與機器人在同一現場作業的航天員也通過語音、手勢、交互設備等多模式手段與機器人自然直觀交互。

圖10 月面服務作業月面機器人設想Fig.10 Conception of lunar service robot

4.6.3 月面建造工程機器人

月面建造工程機器人主要定位于月面工程作業及長期基地的建造，開展有人月球基地建設與維護、月面大型設施搬運及組裝等任務，開展月面資源開采和利用等原位建造任務。

月面科研站建設階段月面活動已形成一定規模，可根據任務的具體需求配置專業化的多類機器人系統，如大型空間機械臂、3D打印機器人、制磚機器人、采礦機器人等。

4.6.4 月面極端地形探測機器人

輕小型極端地形巡視作業機器人是月面探測作業機器人系統的良好補充。對于月坑、陡坡、多障礙物環境等月面極端地形，配置極端地形巡視機器人可執行月面極限位置的探測工作。根據對任務及功能要求的分析，月面極端地形探測機器人的能力及指標為：機器人質量不超過30 kg，攜帶載荷質量不少于5 kg，可適應月面特殊地形、極限溫度、月塵等環境。

月面極端地形探測機器人根據主任務或擴展靈活搭載配置，并根據任務制定的科學目標配置有效載荷，機器人平臺因地形的不同可選擇繩系機器人、滾動機器人、多足仿生爬行機器人、彈跳機器人等，見圖11。

圖11 極端地形的探測機器人配置建議Fig.11 Configuration recommendations for lunar extreme-terrain robot

5 關鍵技術

5.1 機器人非結構化地形移動及自主導航

月面機器人在月球表面的移動，需考慮多種月面特殊地形地貌的特點，如月海與類月海(大型撞擊盆地)、高地、山脈和峭壁、撞擊坑(包括撞擊環形坑、輻射線及與撞擊相關的隆起構造)、月谷和月溪等。針對上述地形地貌的要求，需解決在特定構型、多約束條件下的機器人高效移動通過性問題。目前一些新概念仿生機器人、輪腿式、可重構、可折疊機構的設計思想可考慮用于月面機器人，利用多模式移動步態實現對非結構化地形的主動適應。

為提高月面機器人在月面移動的自主性，機器人系統需實現高精度自主導航與定位，解決月面環境感知與識別、位置與姿態確定、自主智能路徑規劃的問題(圖12)。對于環境感知與識別，機器人可通過導航相機、避障相機、激光雷達以及其他敏感器對機器人近距離范圍內的地形進行感知建模與同步建圖，識別障礙和危險地形；可考慮基于天文、視覺、慣性等方法實現絕對位置、相對位置、姿態的高精度確定；機器人根據當前的位置和姿態、近距離環境感知結果以及地面遙操作系統指定的遠距離目標點位置，進行局部路徑點分解和局部路徑規劃，保證月面機器人安全到達遠距離目標點。

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

5.2 適用于月面多功能任務的精細靈巧操控技術

根據月面機器人多功能、多樣性、多環境作業的特點，月面機器人需要解決多功能操作執行器如何集成化、通用化體系配置的問題，提升操作執行器精細化作業能力。如機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專用化需求，并配置工具箱或工具塔用于切換或更換工具(圖13)。針對任務多樣性的要求，機器人的操作機構需要能夠根據目標載荷形狀、大小、慣量和運動方式的不同，解決相應任務策略、操控方法、運動規劃、柔順控制等控制方面的問題。

月面機器人是集成了移動基座、臂、手、眼的復雜平臺，多自由度和多傳感器信息處理增加了計算和處理上的復雜程度，同時增大了系統的控制難度。為了提高移動的快速性和穩定性、操作的靈活性和安全性，需要根據任務特征與現場環境等多種約束條件，解決機器人移動平臺、臂、手、眼協同控制的問題，提高作業的安全、效率，降低系統的功耗等。

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

月面機器人通過搭載鉆取、挖掘等作業載荷可提升作業能力，機器人作為平臺需要解決載荷作業過程中作用力及力矩的保持及能量吸收、基座穩定性等問題，保證為載荷作業的完成提供較優的平臺基礎條件。

5.3 人-機-物共享空間下的安全協作

“人機協作、人機共融”機器人的設計理念及相關技術，對于人機聯合作業的航天員-機器人系統具有良好的借鑒作用。在有人參與的月球探測活動中，機器人與航天員需要在同一共享空間內工作，需要解決航天員、機器人、載荷設備共享工作空間時的本質高安全問題，確保機器人工作時不給航天員及周邊有效載荷及平臺設備帶來安全威脅或隱患?？煽紤]開展剛柔一體化人機協作型機器人的設計，使得機器人與外界發生接觸時具有柔順適應能力；可通過在機器人的連桿或驅動關節中引入彈性元件或柔性機構，使得機器人具有高柔順性、良好的緩沖功能，如彈性串聯關節或可變剛度關節(圖14)；或通過關節空間的力矩控制使機器人獲得主動的柔順性；或通過在機器人表面布置豐富的傳感器系統，如電子皮膚，讓機器人充分感知外部世界及時作出判斷及執行決策。

圖14 串聯彈性關節技術原理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，機器人需要能夠自主提高技能，實現與人自然直觀交互。對航天員而言，機器人不再是單純的作業工具，而是一個助理，二者緊密協調。需要解決機器人對航天員肢體的感知、對航天員行為意圖的預先理解及反應式行為規劃的問題，實現航天員對機器人知識傳授。解決途徑如通過動態目標的碰撞檢測與避障算法實現反應式行為規劃能力，通過基于多模態信息(人體姿態、多普勒效應、牽引示教等)深度融合的人機交互，實現人的行為解碼及知識傳授與增強。

5.5 月面多機器人協同定位與控制

多個機器人組成的群體機器人系統間協調協作，其能力大于單機器人能力的簡單疊加，而且群體中單個機器人結構進一步簡單、體積變小、任務專門化，可大大提高機器人工作的可靠性，甚至完成單個機器人無法實現的復雜任務。多機器人協作時，需要解決多機互定位、多機通信、多機數據融合等關鍵問題。多機器人均建立完整的導航與定位系統是不經濟的，可考慮在多機器人系統間建立高可靠性、帶寬與能耗均衡配置通信網，通過融合無線通信網定位、慣性導航航位推算自主定位等方法實現作業區域內分米級的多機器人定位技術體系。

5.6 機器人月面極端環境適應性技術

月球表面的極限溫度在+150～-180℃。對于月球極地地區，其溫度在-30～-180℃。對于月球極地的永久陰影區，典型環境溫度可能低于-203.15℃。針對上述極端溫度的挑戰，需要從適應性設計、防護性設計以及系統配置等方面解決機器人在極端深冷環境下的運行與存活問題。

月球表面月塵會加劇機器人機構的磨損和堵塞，降低設備的氣密性，削弱散熱能力，降低光學設備的透光率。機器人的設備及載荷需解決月塵防護的問題。

面向月面的長期駐留及月球站建設，月面機器人系統還需進一步提升可靠性和壽命，實現在月面極端環境條件下工作存活5～10年。

6 小結

月面機器人是未來載人月面探測系統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、高產地完成月面作業任務，可開展更長時間、更廣區域的月面作業。隨著當前機器人技術的發展，月面機器人將在未來的月面活動中發揮重要作用；人機協作探測是國際月球探測的潮流，也將是未來中國載人月面探測的亮點。

面向未來有人參與的月面探測，建議按照有限規模、多功能集成的原則，各階段循序漸進配置巡視作業、服務作業、建造作業的機器人，逐步形成多機協作的機器人群系統，并解決月面機器人在系統、移動、操作、感知、交互、環境適應等方面的關鍵問題。