人機共融機器人的月面駐留服務及應用展望

梁振杰，江 磊，蘇 波，劉興杰，黨睿娜

(中國北方車輛研究所，北京100072)

1 引言

人機共融機器人(Tri-Co Robots)是指人、機、環境共融的下一代協作型機器人，又稱共融機器人[1]。國家自然基金委2016年設立“共融機器人基礎理論與關鍵技術”重大研究計劃，提出了共融機器人的新理念，要求共融機器人具備共存、協作、認知3個要點。未來的共融機器人將能與各種環境、操作者和機器人自然交互，協同完成復雜的工作[2]。

按照我國載人登月工程總體規劃，將在合適的時機開展多項有人、無人深空探測任務，逐步突破核心技術，實現深空探測目標[3-4]。其中，月面機器人尤其是人機共融機器人將在月面科考探測、資源勘探利用、基地建設與維護、航天員能力增強等任務中發揮重要作用[5-6]。

本文綜述了共融機器人在航天領域的技術研究進展，對月面駐留活動中人機共融機器人的任務目標、能力需求以及關鍵技術進行分析，在此基礎上分析制定共融機器人系統在我國首次載人登月中的任務目標和能力需求，并提出針對首次載人登月中人機共融作業系統的工作模式。

2 共融機器人在航天領域研究進展

在航天領域，NASA在星表機器人領域已深入研究多年，通過建立新的人類和機器人聯合深空探測模式，已經開發出一系列機器人來完成不同的任務目標。如圖1所示，帶有人機協同作業模式的星表機器人正在輔助補償航天員完成精密采樣動作[7]；帶有雙靈巧臂的人形機器人“機器人航天員2號”在人類的操控下開展空間站作業服務[8]；人機共融機器人K10在有人星球探測任務中實現遠距離探測[9]。

圖1 NASA近年來開發的若干人機共融機器人[7]Fig.1 Several Tri-Co robots developed by NASA[7]

俄羅斯航天局研制的人形機器人Fedor(圖2)，完全按照仿人軀干結構設計，目前正在進行功能測試，計劃在未來的深空探測計劃中，由Fedor代替人類完成危險任務[10]。

圖2 俄羅斯航天局開發的人形機器人Fedor[10]Fig.2 Robot Fedor developed by Russian Space Agency[10]

2015年ESA研制出一款遠程遙控空間機器人Justin(圖3)，該機器人具有51個主動自由度，主要通過國際空間站航天員遠程遙控星表機器人進行設備安裝、維修等任務[11-12]。機器人在航天員監督下進行作業，也可利用本身的計算和推理能力執行任務。ESA通過建立降表全系統的模擬試驗環境探索未來空間機器人功能與性能設計。

在月面復雜環境與月面駐留復雜任務雙重約束下，人機共融機器人要求具有優越的通過性能，可適應月海、類月海、撞擊坑、高地、沙坑、礫巖等多種典型地形地貌條件[13]。

ESA研制的四足機器人ALOF[14]和Space-Bok[15]具備全地形的適應能力，在非結構化地面環境下展現出比輪履式機器人更為優越的通過性能，可以實現月面重力環境下4 m的跳躍高度并具備側摔自恢復功能(圖4)。足式機器人側摔自恢復功能極大提高了機器人月面生存能力。通過搭載機械臂或專用末端執行器，足式機器人可配合航天員協同完成多種任務[16](圖5)。

圖3 ESA研制的空間機器人Justin[11-12]Fig.3 Space robot Justin developed by ESA[11-12]

圖4 ETH Zürich研制的空間探測四足機器人[14-15]Fig.4 Space exploration quadruped robots developed by ETH Zürich[14-15]

圖5 搭載雙機械手的四足機器人[16]Fig.5 Quadruped robot with two manipulators[16]

美國JPL實驗室研制的全地形六足機器人[17]如圖6所示，采用輪腿式的移動機構與仿人操作機構融合配置。輪腿式機器人是輪式機器人和腿足式機器人的一種折中方案，既保留了輪式機器人高機動型的能力，又兼顧腿足式機器人高通過性的能力[18]，對月面的復雜地形具有極強的適應能力。

圖6 JPL研制的輪腿式機器人構型[17]Fig.6 Wheel-legged robot developed by JPL[17]

除了傳統的輪式機器人、腿足式機器人以及輪腿式機器人構型，根據不同的應用場景和場合設計專用機器人，如仿猩猩機器人[19-21]、仿螳螂機器人[22]、蠕動式機器人[23-24]等，可更好地在月面極端地形(山巒、礫石、山洞、溝壑、隕石坑、沙坑、沉陷坑、陡坡等)上完成勘察、精細操作、科學實驗、鉆探取樣、緊急救援等任務(圖7)。

圖7 月面機器人創新構型Fig.7 Innovative configuration of lunar robots

綜上所述，人機共融機器人正在成為下一代智能機器人技術的研究熱點。人與機器人不同的能力特質可以互為補充，拓寬單獨作業的能力邊界，互相補償人工智能和人類智能的局限性，協同完成星表探測的重大工程任務挑戰。

3 月面駐留活動共融機器人任務與需求

3.1 共融機器人任務剖析

在載人航天和月球探測工程中，共融機器人為各種探測任務的實現提供了一條有效的解決路徑，在典型的共融機器人配置中，可根據人機各自的能力特性，形成較為完備的配置方案。按照月面作業形式和需求將月面作業任務分為以下幾種：

1)月面地形地貌探測。月面地形地貌探測任務貫穿整個探月工程始終，涉及到著陸點的選擇、月球基地建造選址、月面探測路徑規劃、月面地質條件科考等一系列的探測任務，對后續任務的成敗起到決定性作用。根據航天員、月球車、月面機器人的能力約束，月面地形地貌探測可達范圍如圖8所示。根據不同月面機動范圍，需配置不同類型的機器人、月球車等設備，彌補航天員自身能力的不足，拓寬航天員機動范圍。

圖8 月面探測機動可達范圍Fig.8 Maneuverable range of lunar exploration

2)月球資源探測和利用。月球資源的探測和利用一直都是各國探月工程的重點，我國未來的月球探測任務重點在月球礦產資源的全球分布、利用前景評估上。根據現有的資料表明，月表富含氦-3、鈦鐵礦、稀土、水冰資源等，這些對于人類月球的長期生存、持續發展具有重要意義。需要通過資源探測了解資源的種類、含量、分布情況等，以便于后續深空探測的長遠發展。僅僅依靠航天員實現月球資源的探測是不現實的，在航天員不可達的區域，如崖谷、溶洞、隕石坑等，需要專用機器人進行科考探測，機器人可在自主或受控狀態下完成探測任務。

3)月球資源的獲取與采樣任務。采樣作業任務主要由航天員、機器人、特種專用采樣工具等完成[25]，針對遠距離采樣任務、航天員不可達區域采樣任務、高保真采樣任務、高風險采樣任務等作業，共融機器人可發揮重要作用(圖9)。

圖9 月球資源的獲取與采樣[25]Fig.9 Acquisition and sampling of lunar resources[25]

4)月面科學實驗。月面實驗是探月工程總體任務的重要組成，利用月球表面獨特的環境，開展高真空、低重力、無磁場、低干擾條件下各領域、各學科的科學實驗可帶動和促進一系列基礎科學的創新發展，針對高精度、大量數據計算、重復實驗等符合機器人特性的科學實驗任務時，利用機器人取代航天員進行操作或者采用機主人輔的實驗方式可大大減輕對航天員的技能要求，提高實驗結果可靠性。

5)月面基地建造任務。根據月球探測的總體構想，將在月面建成可實現航天員居住的月球基地。該項任務涉及到一系列大型的作業活動，建成后的月球基地擁有月面工作平臺、月面生活艙，月面能源供給站、月面/環月立體通信網絡、月面活動系統等，是一個較為完備的能夠自主運行的月球科學試驗、生產制造活動系統[26](圖10)。具體的建造過程包含建造設備的搬運、組裝、原位資源的采集和利用等，由于航天員在出艙身穿航天服狀態下，運動能力和效率大幅下降，所以整個月面基地的建造活動需要特種機器人的輔助，通過人機接口等協作技術對航天員進行感知增強輔助和運動增強輔助，完成月面設施建造任務。

圖10 月球基地設想[26]Fig.10 Conception of lunar base[26]

6)月面設施設備安裝、維修任務。在前期可靠探測中需要對多種設備進行安裝投放，可能會涉及大范圍的機動或者高風險作業任務，這些任務均可由機器人來執行[27-28]。此外在月面高低溫、強輻射、月塵環境下探月設備存在損壞的風險，需要進行維護維修以及保養(圖11)，針對無人值守狀態下或高風險的維修任務，將主要以機器人為主要執行載體進行維修，此時航天員可進行遙操作或輔助操作。

圖11 ESA Justin對基地設備進行維護Fig.11 Maintenance of base equipment by ESA robot Justin

7)危險情況下救援任務。航天員在進行出艙作業任務或者進行遠距離作業任務時出現緊急情況，比如航天員失去行動能力時，按照不同的情況可選擇不同的救援設備進行緊急救援，載人月球車可作為備選方案之一，當載人月球車無法達到指定區域時，則需要選擇特種機器人進行救援，比如腿足式機器人[29]等(圖12)。

圖12 機器人緊急情況救援[29]Fig.12 Robot emergency rescue[29]

3.2 共融機器人能力需求

月面機器人作業系統主要由航天員與機器人組成，人機的不同特性可從3個維度進行剖析(表1)。與機器人相比，人在智能決策、綜合感知、意外情況處理方面具有明顯優勢，而機器人在快速復雜運算、惡劣環境探測、單調重復任務等方面有優勢，因此二者在任務執行過程中可以優勢互補，在月面駐留活動中實現多種作業任務[30]，在共融機器人作業體系下(圖13)，對共融機器人的能力需求如圖14所示。

表1 人-機特性Table 1 Man-machine characteristics

圖13 共融機器人作業系統體系結構Fig.13 Hierarchical architecture of human-machine integration

圖14 月面共融機器人的能力需求Fig.14 Capability requirements of lunar Tri-Co robots

3.3 共融機器人關鍵技術

根據國內外共融機器人的技術發展水平和目前所掌握的技術儲備，結合月面低重力、大溫差、月塵等特殊典型環境，共融機器人還有以下關鍵技術需要解決：

1)適應月面復雜地形地貌條件的總體設計和系統集成技術。月面環境對共融機器人提出了苛刻的高適應性要求，對共融機器人的構型、配置方式進行深入探索和研究，建立適應月面環境的共融機器人系統的設計理論和設計方法；開發與新型移動系統相適應的控制系統；研制功能結構一體化原理樣機，以上總體設計與系統集成關鍵技術是共融機器人實現月面機動的關鍵。

2)適應月表環境的各分系統元器件設計與選型。月面的真空、低重力、高低溫、輻射、大氣環境以及月球地形地貌、月壤的物理學性質、月塵環境、月表溫度等因素對機器人的結構、材料、電子元器件、機動能力、工作壽命等都會帶來嚴重影響，不同于地球環境下共融機器人的設計研發方式，面向月表環境的機器人必須將月表環境做為重大制約因素予以關注，指導各分系統設計和元器件選型。

3)復雜月面地形下多模步態穩定性與軟硬件系統。月面移動機器人應具備自主作業和遠距離作業的能力，要求共融機器人在應對復雜月面環境時應穩定可靠，可實現多模步態的自由平滑切換。在月面機動時，共融機器人可能面臨各種工況條件，需要結合視覺系統、導航定位系統和決策系統在不影響機器人穩定性的情況下實時進行步態切換?；诙鄠鞲衅鞯臄祿诤细兄獧C器人根據空間環境和地面地貌地形數據信息，完全實現機器人復雜大擾動環境下“足-眼-腦”協同行走。適合月面工作環境的相應軟硬件系統需要進行攻關解決。

4)人機智能交互與感知導航移動作業軟硬件系統。一般情況下，共融機器人需要與航天員進行適時通訊，以接受指令并完成月面作業任務，為保證機器人可靠性與交互靈活性，機器人應支持多種交互和控制方式。機器人的自主行走和返航要求機器人具備改制導航系統，如何搭建月面環境下機器人智能交互與感知導航軟硬件系統決定了機器人能否實現與航天員協同以及遠程作業功能。

5)共融機器人動力驅動集成與性能優化技術。共融機器人的續航問題是保證機器人具備長時間工作能力的關鍵，為解決機器人輕量化需求和高續航能力之間的矛盾，需要進行機器人動力系統匹配與性能優化，提高系統效率，降低系統功耗。

6)共融機器人可靠性與自主安全技術。由于共融機器人系統復雜，容易受到各種干擾的影響，容錯率較低，容易發生故障。機器人作為拓展航天員月面活動范圍、提高工作效率的輔助設備，不應成為航天員的累贅。提高機器人的可靠性，降低對航天員維修能力和操控能力的依賴極其重要。此外機器人在月面全域機動時有可能遇到突發情況，導致機器人遭受撞擊、跌落、側摔等，在這些情況下要求機器人能夠承受一定范圍內的沖擊載荷，特別是在跌倒時具備自主恢復功能可大大拓寬機器人應用范圍，提高機器人作業能力。機器人應具備狀態自檢功能，同時具備一定的自修復能力，在嚴重損傷狀態下可以降級使用，提高機器人的可靠性和自主安全。

4 首次載人登月任務的共融機器人應用展望

4.1 能力需求和作業任務

對于具備長期作業能力的月球基地任務系統，應具備表2所示的幾種能力。按照緊急和重要2個維度對各個能力進行評價，從而推出針對我國首次載人登月任務中人機共融機器人系統所要具備的能力需求。表3中列出的是首次載人登月作業任務目標，具體執行任務目標不宜過于復雜，應該以考核任務安全和驗證技術可行性為主要目的。

表2 人機共融機器人系統能力需求Table 2 Capability requirements for Tri-Co robot system

表3 首次載人登月作業任務目標Table 3 Objectives of the first manned lunar landing mission

4.2 人機共融機器人工作模式

我國首次載人登月人機共融機器人作業系統工作模式可具體分為航天員出艙作業和航天員艙內作業2種，2種模式下均需要機器人作業系統完成必要的作業任務。

在航天員出艙作業模式下(圖15)，主要以人主機輔為主，機器人作為航天員的能力邊界延伸，輔助任務執行，完成以下高風險作業：

1)月面人機協同行走、探測；

2)月面資源采樣、存儲；

3)科學儀器實驗設備的安裝與投放；

4)航天員駕駛月球車并搭載機器人實現小范圍機動；

5)利用共融機器人進行復雜任務作業、極端地形探測、高風險作業等。

圖15 航天員出艙作業工作模式Fig.15 Astronaut extravehicular operation modes

在出艙作業模式下，航天員-機器人作業系統的共融工作模式可具體細化為圖16。

航天員艙內作業模式(圖17)主要指航天員在載人艙或者基地的情況下通過人機接口或其它控制方式指揮艙內外機器人進行作業，該模式作業采用機主人輔工作模式，機器人依靠指令或自主完成任務作業，可以避免航天員艙外作業所面臨的風險，延伸航天員作業能力[31]。

圖16 月面作業任務人機共融工作模式Fig.16 Tri-Co robot operation modes in lunar tasks

圖17 航天員艙內作業工作模式Fig.17 Astronaut intravehicular operation modes

5 結論

1)在月球探測的任務中，具有復雜地形適應能力和任務執行能力的共融機器人具有巨大的應用潛力，共融機器人將成為未來深空探測的重要組成部分，可在航天員月面大范圍機動、航天員出艙支持與能力增強、科學設備載荷安裝、月球基地基礎設施建設、科普示教等方面發揮重要作用。

2)實現從原理樣機到工程應用的過渡，還需要解決一系列關鍵技術。從頂層規劃入手，加大對共融機器人研發的支持力度；推動國內外共融機器人研究團隊成立聯合研發團隊；對實現共融機器人月面應用相關的關鍵技術進行集中攻關突破；建立健全人機共融的月面機器人體系，從而有效推動共融機器人深空探測的長遠發展。

3)針對我國首次載人登月應該主要以考核任務安全和驗證技術可行性為主要目的，按照小范圍探測、適度科學實驗、初步資源探測以及資源樣本采樣返回的方案實施，為后續任務提供技術和數據支撐。

4)根據月面駐留活動中不同的作業任務與作業環境，可采用不同構型與配置的月面共融機器人系統，進一步提高機器人對極端月面環境和復雜操作任務的適應能力與任務執行效能。