小型星表探測機器人發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

辛鵬飛，李德倫,*，劉鑫，張沛，陳磊，劉賓

1.北京空間飛行器總體設計部，北京 100094 2.空間智能機器人系統(tǒng)技術(shù)與應用北京市重點實驗室 , 北京 100094

星球表面深度探測既是航天活動發(fā)展的必然選擇，也是人類進一步了解宇宙、探索生命的起源和演化、獲取更多科學認識[1]、開發(fā)和利用空間資源的重要手段，對科技進步和人類文明的發(fā)展具有重要意義[2]。目前，人類對月球及其以外的星體進行星表探測時多采用單一、大型的著陸器/巡視器方案[3]，且為了規(guī)避探測任務風險，多局限于平坦地形探測[4]，無法獲得遍歷性或者極端地形的近距離地質(zhì)地貌信息和樣本數(shù)據(jù)[5]，對小行星或彗星等弱引力天體的附著探測能力也比較有限，任務成功率低。

但越來越多的研究表明，星表探測中最具科學價值的信息通常來源于復雜/極端地形探測[6]。如月球的水冰資源，多分布南北極復雜、崎嶇的隕石坑中；火星蘊含生命信息的物質(zhì)可能存在于不易到達的熔巖管、隕石坑以及洞穴中[7]；碎石堆型小行星的地質(zhì)深處隱藏太陽系誕生初期的“信息”[8]。這些區(qū)域的深度探測對于研究宇宙星體的起源與演化、生命信息的存在形式和地質(zhì)作用等方面具有重要意義。

在此背景下，相比較于大型探測器，高性價比、低任務風險的小型移動探測機器人成為國際上廣泛認可的、極具前景的星表探測方案。小型星表探測機器人的主要特征是小體積、輕質(zhì)量(多數(shù)<20 kg)和一定的自主能力，在星表極端地形中具備強運動性能以及科學載荷搭載能力。它可以作為大型著陸/巡視探測器的配置組件，在母探測器的引導下，以單獨或者集群的形式[9]，通過搭載高分辨率相機、磁場探測器、質(zhì)譜儀、操作臂等多種輕型載荷，或者將關(guān)鍵傳感器放置于極端地形中，完成圖像顯示、數(shù)據(jù)/樣本獲取、導航、地質(zhì)探測等科學目標。

小型星表探測機器人技術(shù)作為一種特殊的機器人技術(shù)[10]，集機械、力學、電子、新材料、傳感器、計算機、智能控制與網(wǎng)絡通信等多門科學于一體[11]，是一種具有基礎性、戰(zhàn)略性和前瞻性的高新技術(shù)。目前，美國、歐洲、日本等航天大國在小型星表探測機器人領(lǐng)域研發(fā)了多種類型、多種用途的小型機器人，開展了原理樣機測試，部分產(chǎn)品已經(jīng)應用于航天探測任務中。中國在小型星表探測機器人研制領(lǐng)域尚處于起步狀態(tài)，無在軌成熟產(chǎn)品應用。

本文重點總結(jié)介紹了近年來面向月球、火星、小行星探測而研發(fā)的小型星表探測機器人代表性產(chǎn)品，對其設計理念、構(gòu)型特征、實際應用進行了梳理，分析了未來發(fā)展趨勢和設計中存在的關(guān)鍵問題，以期為中國小型星表探測機器人的設計、研究與應用提供參考。

1 面向月球探測的小型機器人

月球隕石坑、洞穴中可能存在較為豐富的水冰資源和微量元素資源，因此這類極端地形的探索被認為是極具價值的科學探索[12]；未來中長期月球深度探測和月球基地的建設，也需要大量小型機器人進行地質(zhì)勘測與日常維護，從而降低任務成本和風險。這些實際需求催生了小型輪式和足式月球移動機器人概念，目前日本、歐洲等國家走在了研發(fā)前列。

1.1 小型輪式機器人

1.1.1 日本Micro5機器人

針對月球表面的崎嶇、階梯狀地形探測，日本宇航科學研究所(Institute of Space and Astronautical Science，ISAS)和明治大學(Meiji University)等研發(fā)了一種體積小、質(zhì)量輕、低能耗的五輪機器人Micro5[13]。如圖1所示，它具有一種新的五點懸吊結(jié)構(gòu)——PEGASUS(PEntad Grade Assist SUSpension)懸架系統(tǒng)[14]。PEGASUS是單點連接的簡單結(jié)構(gòu)，但具有強機動性，能夠輔助巡視與越障。

Micro5樣機(圖2)質(zhì)量約為5 kg，外型尺寸為0.55 m×0.53 m×0.25 m[15]，車輪直徑為0.1 m。可以越過0.15 m的臺階，爬上40°的斜坡[16]，車速為1.5 cm/s。車頂?shù)?片太陽能電池板能夠提供最大36 W的能量。

圖2 Micro5樣機性能測試[16]Fig.2 Performance test of Micro5 prototype[16]

Micro5主要工作模式為遙操作形式，搭載包括操作臂、立體相機、俯仰-翻滾測角器等載荷[17]，機器人運動前方架設2臺CMOS相機用作導航和科學觀測任務。操作臂采用碳纖維材質(zhì)[18]，總長度為920 mm，質(zhì)量為1.45 kg，在地球重力下可搬運300 g物體，操作空間可達到太陽能電池板邊緣，以便于清除電池板上的月面灰塵。

1.1.2 日本“耀基”機器人

日本戴蒙(Dymon)公司宣布與美國太空機器人(Astrobotic)技術(shù)公司簽署了一項合作協(xié)議，將于2021年由Astrobotic的“游隼”(Peregrine)月球著陸器把日本首個月球巡視機器人“耀基”(Yaoki)送上月球表面，如圖3所示，以增強對月球崎嶇地形的探索能力。

圖3 “耀基”機器人與“游隼”著陸器尺寸對比Fig.3 Size comparison of Yaoki and Peregrine

如圖4所示,“耀基”月球巡視機器人具有2個高強度材料制作的車輪，其余結(jié)構(gòu)均被包裹于2個車輪之間。機器人整體呈上下對稱形狀，構(gòu)造簡單，包絡尺寸為96 mm×150 mm×150 mm，能夠以超低成本進行月球探測，也降低了任務故障風險。

圖4 “耀基”月球巡視機器人Fig.4 Yaoki lunar rover

“耀基”機器人工作模式主要為遙操作工作，最顯著的優(yōu)勢是其超強的運動性能，它可以原地實現(xiàn)側(cè)翻和翻轉(zhuǎn)運動，極大地提升了極端地形(如洞穴、陡坡、深溝等)進入能力，理論上可執(zhí)行360°連續(xù)的傳感器探測活動。機器人搭載的載荷包括球形聚光燈、相機和其他傳感器，可以接近月球表面進行精密探測。

1.2 小型足式機器人

1.2.1 瑞士SpaceBok機器人

為探索四足機器人在低重力環(huán)境下的“動態(tài)行走”策略，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院(Swiss Federal Institute of Techonlogy, in Zurich)和蘇黎世應用科技大學(Zurich University of Applied Sciences)的學生團隊研制了SpaceBok四足機器人，如圖5所示，其主要工作模式為自主工作和遙操作工作，設計用于在月球或者小行星等低重力天體上行走。目前SpaceBok正在歐洲宇航局(European Space Agency, ESA)的航天技術(shù)工程中心(European Space Technology and Engineering Center, ESTEC)進行測試。

圖5 Spacebok小型機器人Fig.5 Spacebok robot

SpaceBok機器人機身使用大量的碳纖維結(jié)構(gòu)，顯著降低了質(zhì)量(小于20 kg)，采用高功率密度的力矩電機作為關(guān)節(jié)驅(qū)動單元，腿部一體化彈簧可以有效地緩解四足機器人著地時各足端的沖擊力和高頻響應。它通過反作用輪控制平衡。如圖6所示，目前SpaceBok在模擬月球環(huán)境下的跳躍測試中，跳躍高度已達到1.3 m，并且能夠完成自身穩(wěn)定，也能夠進行靜步態(tài)行走。

圖6 SpaceBok跳躍測試Fig.6 SpaceBok jumping test

1.2.2 英國Spacebit機器人

為了探索月球上隕石坑、洞穴等特殊地形，英國的Spacebit公司研發(fā)了一款四足月球探測器，如圖7所示，有望進入月球一些管道狀洞穴中進行探測。Spacebit機器人同樣將于2021年搭乘Peregrine著陸器前往月表，開始演示操作任務。

圖7 Spacebit四足機器人Fig.7 Spacebit quadruped robot

Spacebit機器人重量僅有1 kg，具有4條機械腿，如圖8所示，采用蜘蛛爬行的模式進行前進，并且具備一定的跳躍能力，這種設計有利于機器人跨越障礙物，讓其在月球表面、洞穴、熔巖管中更加靈活地移動。它可以承受月球表面-130～130 ℃的巨大溫度波動。Spacebit機器人由太陽能電池板提供動力。預計可在月表工作10個地球日，至少行駛10 m。

Spacebit機器人可以自主工作，也可以在地面遙操作下工作，可搭載的載荷包括：能夠進行測量并收集勘探數(shù)據(jù)的激光傳感器和攝像頭(可完成月面拍攝、著陸器拍攝和自拍)。

圖8 Spacebit機器人樣機Fig.8 Spacebit robot prototype

2 面向火星探測的小型機器人

2.1 火星探測小型飛行機器人

火星存在稀薄的大氣層[19]，美國多個科研機構(gòu)開展了火星大氣環(huán)境下的小型飛行機器人(以下稱火星無人機)研究，用于協(xié)助火星車開展深度探測，已經(jīng)受到國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注[20]。

2.1.1 美國科研機構(gòu)無人機項目

2001年，美國埃姆斯研究中心(Ames Research Center)論證了利用旋翼式無人機垂直起降(Vertical Take-Off and Landing，VTOL)特性探測火星表面崎嶇地形的可行性，用以補充或者替代地面大型巡視器，研究了無人機輕質(zhì)結(jié)構(gòu)、新型動力系統(tǒng)、自主飛行等關(guān)鍵技術(shù)[21]，并預測了質(zhì)量10～50 kg無人機的旋翼轉(zhuǎn)速、飛行效率和工作時間。2002年，埃姆斯研究中心基于四槳葉獨立轉(zhuǎn)子，研制了TAMS(Terrestrial-Analog Mars Scouts)系列共軸旋翼式無人機，如圖9所示。2005年，埃姆斯研究中心發(fā)布了階段性研究結(jié)果，認為在任務探測范圍并不太大時，研制一種由火星巡視器釋放、用于協(xié)助火星巡視器完成探測任務的小型旋翼式無人機具有更大的意義，并預測了部分參數(shù)需求[22]。

圖9 線性轉(zhuǎn)子試驗臺與第2代TAMS無人機[22]Fig.9 Baseline rotor test stand and the second generation TAMS[22]

2000年，馬里蘭大學(University of Maryland)開展了共軸反槳雙旋翼火星無人機研究，并在2001年研制了旋翼式火星無人機MICRO[23](MIcro-Coxial ROtorcraft)，如圖10(a)所示，采用懸停方式對環(huán)境進行探測，懸停時間為20～30 min，并具有良好的飛行穩(wěn)定性和控制性能[24]。2003年，馬里蘭大學研制了一種質(zhì)量約為50 kg、能實時進行姿態(tài)調(diào)整的大型火星無人機MARV(Martian Autonomous Rotary-wing Vehicle)，如圖10(b)所示，具有10.8 kg的有效載荷，能夠在25 km范圍內(nèi)飛行39 min并能懸停1 min；之后，基于埃姆斯研究中心的轉(zhuǎn)子懸停試驗，馬里蘭大學對試驗結(jié)果進行了詳細分析，研究了雷諾數(shù)、馬赫數(shù)及旋翼結(jié)構(gòu)對旋翼系統(tǒng)的影響，提出了一系列優(yōu)化設計準則。最終論證并研制了質(zhì)量為200 g的共軸旋翼式火星無人機Microrotorcraft，該無人機能夠在模擬的火星環(huán)境中飛行12～13 min。

圖10 MICRO無人機和MARV無人機Fig.10 MICRO and MARV UAV

2008年，薩里大學(University of Surrey)將旋翼式無人機垂直起降特性與火星探測任務結(jié)合，規(guī)劃了利用火星無人機協(xié)助火星車完成火星表面多點采樣的方案[25]。2012年，薩里大學研制了一種傾斜旋翼式無人機Eye-On(圖11(a))，該無人機質(zhì)量為15 kg，旋翼翼展達1.4 m，能夠在100 km范圍內(nèi)巡航飛行38 min[26]。2016年，薩里大學研制了新一代傾斜旋翼式無人機Y4TR(Y-4 Tilt-Rotor，如圖11(b)所示)，該無人機采用非線性系統(tǒng)SDRE(State-Dependent Riccati Equation)控制，可實現(xiàn)無人機的自主巡航[27]。

圖11 Eye-On無人機與Y4TR無人機Fig.11 Eye-On and Y4TR UAV

2.1.2 美國2020火星無人機

2004年，美國噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Lab, JPL)對比了各類火星無人機的飛行原理、結(jié)構(gòu)形式及適應性能，將旋翼式火星無人機列為火星無人機研究的重要方向并對該類無人機飛行的可行性、空氣動力學特性、旋翼系統(tǒng)的懸停特性進行了全面的研究。

2015年，JPL發(fā)布火星無人機原型JPL-2015[28]，如圖12所示，該小型共軸旋翼式火星無人機質(zhì)量約為1 kg，翼展大小為1.1 m，位于機身下部的存儲區(qū)集成了控制器、通訊儀器、測控儀器、電源等系統(tǒng)設備，極大地降低了無人機質(zhì)量；采用太陽能供電，搭載一個高分辨率的測量相機探測地形，并將數(shù)據(jù)中繼到火星車的通信系統(tǒng)；無人機能夠在模擬的火星大氣環(huán)境中完成起飛、懸停、偏轉(zhuǎn)、降落等飛行動作。JPL-2015每次只能使用約3 min，能夠上升到100 m的高度。JPL對其進行了巡航偵查的控制方案設計，并對其載荷能力、巡航時間、懸停時間等關(guān)鍵指標進行了研究。

圖12 JPL-2015原型機[28]Fig.12 JPL-2015 prototype[28]

2020年7月，美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)研制的火星無人機(如圖13所示)將作為“2020火星車”的配置載荷前往火星。2020火星無人機的基礎構(gòu)型正是JPL-2015火星無人機，重量不到1.8 kg，是一個小型自動旋翼飛行器，機身尺寸約9 cm，搭載了太陽能電池和鋰離子電池，2個反向旋轉(zhuǎn)的葉片能夠以近3 000 r/min的速度咬入火星稀薄大氣，這一轉(zhuǎn)速約是地球直升機轉(zhuǎn)速的10倍。

圖13 2020火星無人機Fig.13 2020 Mars helicopter

2016年5月31日，在模擬火星大氣條件的太空模擬器內(nèi)，JPL進行了火星無人機樣機首次自由飛行，如圖14所示，該模擬器位于7.62 m寬的真空室內(nèi)，另外研究團隊通過重力卸載系統(tǒng)實現(xiàn)了火星重力條件。據(jù)JPL介紹，為確保無人機在火星的首次飛行成功，工程模型已經(jīng)記錄了超過75 min的樣機飛行時間，非常接近真實的無人機飛行時間。

圖14 2020火星無人機全系統(tǒng)樣機Fig.14 2020 Mars helicopter full system prototype

2.1.3 美國“蜻蜓”無人機

2019年，NASA宣布將發(fā)射一架旋翼無人機——“蜻蜓”(Dragonfly)前往土衛(wèi)六(泰坦)進行全面探測[29]。“蜻蜓”的設計是基于300 kg重的“四角八度飛行器”，如圖15所示，本身也是一個著陸探測器，體長約3 m，四角各有一對共軸螺旋槳，構(gòu)成一架四軸旋翼機。

圖15 “蜻蜓”基本構(gòu)型藝術(shù)圖[29]Fig.15 Art figure of Dragonfly UAV configuration[29]

“蜻蜓”使用30 kg放射性同位素電池供電，可支撐以10 m/s的速度飛行2 h，電池工作壽命內(nèi)飛行總里程可能達60 km，其中任務設計的單次飛行距離最遠可達8 km[30]。除了長距離飛行外，“蜻蜓”還可以通過“降高”地面幾米來重新定位傳感器，實現(xiàn)近距離精確移動。

“蜻蜓”搭載的科學載荷將包括質(zhì)譜儀、伽馬射線和中子光譜儀、地球物理學和氣象學套件，還包括一整套攝像頭設備。

圖16 “蜻蜓”在泰坦表面探測的藝術(shù)圖Fig.16 Art figure of Dragonfly exploration on Titan

圖16為“蜻蜓”在土衛(wèi)六的探測任務流程圖，包含進入、下降與著陸段(Entry, Descent and Landing, EDL)、飛行探測、重復著陸、重復探測等。2018年5月，“蜻蜓”開始進行樣機外場飛行控制測試，主要包括飛行穩(wěn)定性測試與導航跟蹤測試，如圖17所示。

圖17 “蜻蜓”的旋翼飛行測試[30]Fig.17 Rotor flight test of Dragonfly[30]

2.2 火星探測小型輪式機器人

研究表明，火星表面高科研價值區(qū)域多集中在熔巖管、洞穴和陡坡附近[31]，由于安全性、任務成本和探測器性能等原因，大型火星巡視器并不適合這些區(qū)域的深度探測[32]。在此背景下，運動性能極強的小型輪式機器人應運而生。

2.2.1 美國PUFFER機器人

為了探測大型火星巡視器不能到達的地形區(qū)域，NASA JPL利用3D打印技術(shù)制造了一款靈感來源于折紙的可折疊機器人[33]，可以協(xié)助美國未來的太空探索任務，機器人被命名為PUFFER(Pop-up Flat Folding Explorer Robot)，如圖18所示。PUFFER由NASA、加州大學伯克利分校等共同研發(fā)，研發(fā)制造成本約數(shù)百萬美元。

圖18 PUFFER火星機器人[33]Fig.18 PUFFER Mars robot[33]

PUFFER作為主探測器的配置組件，最大的特點是在遇到較狹窄的空間時，可以自主、可重復折疊[34]，其展開設計構(gòu)型包絡為10 cm×7.5 cm×7 cm，最小折疊狀態(tài)下包絡為14.5 cm×7.5 cm×4 cm，體重約150 g，底盤上安裝一塊太陽能電池板，使得它可以自行翻轉(zhuǎn)、利用太陽能進行充電，極大地拓展了工作壽命。搭載設備包括IMU(慣性測量單元)、聚光燈、CMOS相機以及傳感器等[35]，如圖19所示。

圖19 PUFFER搭載的設備與載荷Fig.19 Equipment and loads carried by PUFFER

PUFFER的工作模式包括自主運動和遙操作形式，可以在母探測器的指引下，單獨或集群與母探測器開展聯(lián)合智能探測和數(shù)據(jù)采集，其便攜性、機動性、抗沖擊性能優(yōu)異，大幅增加母探測器的探測能力和探測范圍；折疊構(gòu)型下能夠進入狹小縫隙、洞穴、陡坡以及冰雪等復雜地形，通過搭載設備，獲得更多高科研價值探測數(shù)據(jù)和樣本[36]。目前，已經(jīng)開展了原理樣機測試，如圖20所示。

圖20 PUFFER原理樣機測試[36]Fig.20 Tests of PUFFER prototype[36]

2.2.2 德國Coyote III機器人

Coyote III機器人是德國宇航中心(Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt, DLR)開發(fā)的一款移動性能突出的微型探測機器人[37]，其配備了獨特的輪子，能夠輕松抓住和攀爬過巖石等危險的地形，獨特的移動機構(gòu)設計非常適用于非結(jié)構(gòu)化土地。

Coyote III機器人為四輪結(jié)構(gòu)，如圖21所示，尺寸為994 mm×584 mm×380 mm，質(zhì)量為12.5 kg，最大速度可達1.3 m/s[38]，最大功率為75 W，車輪結(jié)構(gòu)采用輕質(zhì)、鏤空設計，適合于沙質(zhì)、巖石等地質(zhì)條件下運動[39]。

Coyote III機器人采用模塊化和輕質(zhì)化設計，使得它可以方便地擴展其他負載部件。目前，設計配備有電源系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，可以自主或協(xié)同執(zhí)行探索任務[40]。此外，Coyote III還有2個通用的機電接口，該類接口可以使Coyote III更加方便地擴展其他的外延設備，比如結(jié)構(gòu)化的機械臂等。

圖21 Coyote III機器人原理樣機Fig.21 Coyote III robot prototype

3 面向小行星探測的小型機器人

小行星星表探測機器人可以完成星表近距離深度觀測和分析任務，拓展小行星探測任務的深度和廣度。但小行星或者彗星等小天體質(zhì)量小、引力極弱(約10-4g)、地形復雜并且先驗經(jīng)驗很少[41]，對此類天體星表進行精確著陸控制和附著探測難度較大[42]。采用傳統(tǒng)的輪式[43]或履帶式移動裝置，會導致機器人的摩擦牽引不足，難以在星表附著和移動[44]。因此，日本[45]、美國等國家相繼研制了翻滾式小型機器人用于小行星探測任務，服務于采樣地區(qū)的環(huán)境和地質(zhì)背景研究。這類機器人的突出特點是采用同性多面體構(gòu)型，依靠內(nèi)部飛輪結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)全向翻滾運動，環(huán)境適應性強。

目前，日本“隼鳥2號”任務已搭載2款翻滾式小型機器人，并成功實現(xiàn)在軌應用。

3.1 日本小行星探測機器人

2019年9月22日，日本“隼鳥2號”(Hayabusa2)探測器向“龍宮”(Ryugu)小行星釋放了2組微型機器人：MINERVA-II-1和MINERVA-II-2(MIcro/Nano Experimental Robot Vehicle for Asteroid)，共耗資15億美元，如圖22所示。這2組機器人均采用了跳躍移動裝置，在“龍宮”表面跳躍前進，主要目的是驗證小行星表面移動技術(shù)[46]。

圖22 MINERVA-II機器人安裝位置及基本構(gòu)型Fig.22 Installation and configuration of MINERVA-II robots

MINERVA-II-1包括直徑0.18 m、高0.07 m的2個16角柱形狀機器人，MINERVA-II-2為直徑0.15 m、高0.16 m的8棱柱形狀的機器人，2組機器人質(zhì)量各為1.1 kg，由日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)(Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA)和多個大學及機構(gòu)共同研制。MINERVA-II搭載多種科學儀器，其中包括溫度和光學傳感器、天線、熱輻射儀、加速度計、陀螺儀等，以及多達7個相機(包括立體相機和廣角相機)。機器人具備無線通信能力，可進行無線電位置測量。圖23所示的機器人周圍一圈為太陽能電池板，周邊的棘刺狀探針是溫度傳感器，可以在跳躍翻滾的同時測量“龍宮”表面的溫度，同時也能幫助機器人從跳躍滾動狀態(tài)快速穩(wěn)定。機器人的跳躍動作來源于內(nèi)部旋轉(zhuǎn)電機，電機執(zhí)行動作時，機器人可以主動地從小行星表面彈起、翻滾，然后落到新的位置，每次跳躍可在水平方向移動15 m左右。

2018年9月19日～21日，“隼鳥2號”按照之前的標記球釋放演練流程，進行了MINERVA-II-1機器人部署；2019年10月3日，在“龍宮”赤道上空約1 km高度處釋放MINERVA-II-2機器人，分離速度為13～17 cm/s，機器人在環(huán)繞“龍宮”1.25圈后成功實現(xiàn)小行星附著部署，并完成移動試驗。圖24是MINERVA-II-1機器人在小行星表面拍攝的近距離照片。

圖23 MINERVA-II機器人結(jié)構(gòu)[46]Fig.23 Structure of MINERVA-II robots[46]

圖24 MINERVA-II-1機器人拍攝畫面Fig.24 Photos taken by MINERVA-II-1 robot

MINERVA-II機器人具備自主感知能力，不具備自主運動規(guī)劃與導航能力，在翻滾運動中也不進行自主運動控制。

除MINERVA-II機器人，“隼鳥2號”探測器還在約51 m的高度向“龍宮”表面釋放了MASCOT(Mobile Asteroid Surface Scout)機器人，以便于詳細測試小行星星表磁場及光照不足處的地表信息[47]。MASCOT機器人由DLR同法國國家空間研究中心(Centre National d'Etudes Spatiales, CNES)合作建造。

MASCOT構(gòu)型為方型，如圖25所示，尺寸為0.275 m×0.29 m×0.195 m，質(zhì)量約9.8 kg，載有4臺儀器，包括寬視場相機、微型紅外光譜儀、熱輻射計和磁強計[48]。機器人的鋰電池電源預計著陸后能供電16 h(實際工作17 h)，無法重新充電。

圖25 MASCOT構(gòu)型及載荷[48]Fig.25 Configuration and loads of MASCOT robot[48]

MASCOT自身能夠完成一定程度的滾動和跳躍，驅(qū)動力來源于內(nèi)部的一個偏置飛輪，并配備了用于導航定位的GNC(Guidance, Navigation and Control)傳感器，方便機器人調(diào)姿。但MASCOT只能自主翻滾、移動一次，無自主運動控制能力，翻滾運動的主要目的是為了調(diào)整觀測角度，盡量讓頂端天線朝上，以便于收發(fā)數(shù)據(jù)。

3.2 NASA小行星探測機器人

為發(fā)展對小天體表面的探測能力，美國NASA的JPL與斯坦福大學(Stanford University)、麻省理工大學(Massachusetts Institute of Technology, MIT)共同研發(fā)一款名為“刺猬”(Hedgehog)的新概念機器人[49]，如圖26所示，主要面向火衛(wèi)一探測。

“刺猬”機器人的基礎結(jié)構(gòu)是一個外部具有突起尖刺結(jié)構(gòu)的立方體，它具有8個尖刺和內(nèi)部正交放置的3個飛輪。機器人本身重約5 kg，根據(jù)測算，增加相機和光譜儀等載荷后，機器人的重量可能超過9 kg。“刺猬”機器人的每個面都可用于著陸，依靠周圍的尖刺在微重力(可低至0.002g)天體表面跳躍或翻滾運動，動力來源于內(nèi)部3個調(diào)速飛輪的旋轉(zhuǎn)和制動系統(tǒng)[50]。尖刺突起的內(nèi)部還可以安裝熱探測器等設備，從而在“刺猬”翻滾的時候自主測量星球表面的溫度。

圖26 “刺猬”機器人構(gòu)型[49]Fig.26 Configuration of Hedgehog robot[49]

“刺猬”機器人的工作模式為自主或集群協(xié)同工作，能夠?qū)崿F(xiàn)自主感知、可控旋轉(zhuǎn)和急停等動作，可以作為大型著陸器的子機器人開展聯(lián)合探測任務。在圖27所示的樣機測試中，“刺猬”機器人既能利用1個或2個尖刺實現(xiàn)長距離的跳躍，也能通過翻轉(zhuǎn)1個表面實現(xiàn)短距離行進，從而實現(xiàn)精準運動控制。在“拋物線”飛行試驗中，研究人員還證實“刺猬”能夠從星表強力跳起，擺脫沙坑、溝壑等不利地形[51]；試驗還證明，“刺猬”在砂礫地形、石質(zhì)地形、平滑地形以及沙漠地形中都具備強通過能力，適應性極強。

圖27 “刺猬”機器人實際樣機Fig.27 Practical prototype of Hedgehog robot

4 中國研究進展

中國在小型星表探測機器人領(lǐng)域起步較晚，但近年來不少科研機構(gòu)與高校在該領(lǐng)域的理論研究與設計、原理樣機研制與試驗方面取得了積極進展。目前已有部分產(chǎn)品進行了地面狀態(tài)原理樣機研制與測試，但在工程實際應用方面，與美國、歐洲、日本等國家還存在差距，目前沒有產(chǎn)品獲得型號立項支持。

在火星無人機研究領(lǐng)域，中國科學院地球化學研究院的歐陽自遠和肖福根[7]、南京航空航天大學的陸宇平等[52]對于歷次火星探測任務進行了回顧，對中國未來火星探測面臨的主要科學問題進行了闡述。南京航空航天大學的姚克明[21]對中國未來火星無人機探測進行了任務規(guī)劃與建模分析，建立了火星無人機控制的非線性模型。近年來，哈爾濱工業(yè)大學已經(jīng)開始設計一種旋翼飛行器[24]以適應火星稀薄大氣環(huán)境，如圖28所示。但目前，中國對火星無人機的研究主要關(guān)注任務規(guī)劃和概念設計等方面，在火星無人機原理樣機的研制與試驗方面仍然處于空白狀態(tài)，幾乎沒有相關(guān)研究文獻發(fā)表。

圖28 哈爾濱工業(yè)大學的火星無人機概念渲染圖[24]Fig.28 Rendering figure of Mars UAV of Harbin Institute of Technology[24]

針對復雜地形條件的小型探測機器人研究領(lǐng)域，中國高校及科研機構(gòu)已經(jīng)開展結(jié)構(gòu)設計、仿真分析、樣機調(diào)試等方面研究，但針對空間探測特殊環(huán)境條件(如高低溫、強輻射等)以及自主智能控制需求的小型機器人研究成果發(fā)表較少。北京航空航天大學的張利格等[53]對適用于星表崎嶇地形探測的單重四面體機器人進行了分階段運動學分析，利用ADAMS仿真軟件對四面體機器人進行了運動仿真，并進行了樣機的功能試驗驗證，如圖29所示。中國科學院沈陽自動化研究所[54]開展了小型張拉整體機器人研究，先后研制了2代機器人樣機，如圖30所示，實現(xiàn)了翻滾運動與精確控制，該型機器人越障能力強，適用于星表極端地形和特殊地形探測，由此帶動了中國一批科研機構(gòu)對張拉整體機器人的研究。面向火星表面復雜、高風速的大氣狀態(tài)，西安電子科技大學李團結(jié)和劉衛(wèi)剛[55]詳細研究了適合探測復雜地形的風力驅(qū)動球形機器人，將彈跳、滾動和滑動運動模式有機結(jié)合，并考慮環(huán)境中隨機風的作用，實現(xiàn)了風力驅(qū)動球形機器人的運動仿真。

另有一些小型機器人的研究成果在運動形式、樣機設計等方面已取得初步進展，但需要進一步深度研究才能實現(xiàn)向原理樣機、工程樣機的轉(zhuǎn)化。哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所對小型地面機器人領(lǐng)域進行了初步研究，李滿天等[56]研制了一種模塊化可重構(gòu)履帶式微小型機器人，可以單獨或重構(gòu)進行運動探測，越障能力較強，但尚未解決有效載荷配置及工作能源問題；曹雯[57]對微小型輪腿式機器人進行了研究和設計，提出了一種基于四輪腿式移動機構(gòu)方案，并開發(fā)了移動機器人樣機和基于虛擬樣機的控制技術(shù)，但欠缺對結(jié)構(gòu)參數(shù)、動力學特性和控制系統(tǒng)設計的深入分析；Zhao等[58]研究了彈跳式機器人，通過飛躍等形式越過障礙，適用于小行星的弱引力星體探測，目前樣機不足在于運動受地形影響較大，地形適應性差，狹小環(huán)境下運動空間受限。重慶大學周偉等[59]設計了一種用于野外偵查和監(jiān)控的小型兩輪機器人MSTRbot，可以搭載2自由度機械臂完成越障和抓取動作，預期可用于火星探測任務，但未解決動態(tài)平衡問題，運動穩(wěn)定性差。上海交通大學的Zhu等[60]研究了輪-履帶-足結(jié)合的機器人設計和運動控制問題，機器人如圖31所示，地形適應性強，負載/質(zhì)量比高，但尚未提出小型化解決方案。

圖29 北京航空航天大學單四面體機器人樣機行走試驗[53]Fig.29 Walking test of tetrahedral robot prototype of Beihang University[53]

圖30 中國科學院沈陽自動化研究所研制的第2代張拉整體機器人[54]Fig.30 2nd generation tensegrity robots developed by Shenyang Institute of Automation，Chinese Academy of Sciences[54]

圖31 上海交通大學輪-履帶-足混合機器人[60]Fig.31 Wheel-track-leg hybrid mobile robot of Shanghai Jiao Tong University[60]

5 關(guān)鍵技術(shù)梳理

綜合國內(nèi)外在小型星表探測機器人領(lǐng)域的研究成果，小型機器人的發(fā)展與人類空間探測的重點相吻合。在月球探測、太陽系內(nèi)行星探測初期，星表探測以綜合性探測工具(大型探測器、著陸器、巡視器等)為主，小型機器人發(fā)展緩慢。隨著人類深空探測能力的逐漸提高，能夠進入極端地形、提供廣域星表探測信息的小型機器人，作為大型探測器的配置組件登上了歷史舞臺，尤其近年來，新的運動形式、構(gòu)形設計和載荷搭配的小型機器人不斷涌現(xiàn)，基本分類及性能比較總結(jié)在表1中，這些小型機器人的共同特點是面向特殊地形探測需求，具備針對性極強的地形適應性和功能適應性，具體而言：

1) 小型飛行式機器人適用于存在大氣層的星體(如火星)，探測范圍廣，承載能力低，功耗高，多用于導航、廣域地形探測等任務。

2) 小型輪式機器人結(jié)構(gòu)強度高，運動速度快、效率高、承載/質(zhì)量比高，適用于導航、崎嶇地形探測任務(如火星、月球探測)。

3) 小型足式機器人機構(gòu)復雜，越障能力強，運動控制難度和功耗較高，適用于特殊極端地形探測(如火星、月球探測)。

4)小型翻滾式機器人適用于小質(zhì)量、弱引力天體探測(如小行星探測)，結(jié)構(gòu)設計簡單，運動效率高，功耗較低，但姿態(tài)控制復雜。

表1 小型星表探測機器人分類及性能比較Table 1 Classification and performance comparison of small-scale planet surface exploration robots

歸納小型星表探測機器人研究領(lǐng)域涉及的關(guān)鍵技術(shù)，總結(jié)為以下3點：

1) 機器人小型化、模塊化結(jié)構(gòu)設計技術(shù)。小型星表探測機器人的主要工作模式是作為配置組件并搭載多種載荷，輔助大型探測器完成星表近距離探測。小型化、模塊化設計能夠顯著降低機器人的制造成本和運行風險，縮短研制周期，提升任務性價比；但同時，深空探測任務對機器人的結(jié)構(gòu)強度、搭載載荷特性、運動特性等也提出了極高的要求。因此如何兼顧設計需求與功能需求，是小型機器人結(jié)構(gòu)設計的關(guān)鍵因素之一。目前，中國在該技術(shù)方面已取得較多成果，研發(fā)了兩足、四足、輪式、張拉整體運動以及鋒利驅(qū)動等一系列兼顧小型化和特定功能的機器人。

2) 復雜環(huán)境下的強適應能力。根據(jù)星體與太陽的距離，星體自轉(zhuǎn)周期以及區(qū)域光照條件，星表溫度變化可能超過-100～100 ℃；火星大氣具有低壓、高速的特點，呈現(xiàn)出復雜的氣動特性；月球、火星存在低引力環(huán)境，小行星存在弱引力環(huán)境；隕石坑、熔巖管等處于弱光照條件下；探測區(qū)域涵蓋復雜的地形、地貌特征等。這些環(huán)境因素都對機器人結(jié)構(gòu)設計、溫度控制、環(huán)境感知、自主探測和地面試驗提出了嚴峻挑戰(zhàn)，需要小型機器人具備復雜環(huán)境的強適應能力。目前中國在機器人運動性能技術(shù)方面取得了積極進展，在設計、仿真和試驗等方面研究了機器人的復雜地形進入能力，但在溫度、輻射和引力條件等適應性指標方面成果不多，尚無樣機測試或在軌測試試驗。

3) 自主運動及智能控制技術(shù)。深空探測中星體與地球間通常存在通訊延遲大的特點，且熔巖管、洞穴等極端地形阻礙信號傳輸，無法完成實時響應控制，給導航定位造成了極大困難。而面向環(huán)境變化劇烈的火星、弱引力小行星的探測，對機器人的運動控制精度和周期要求很高。因此，提升機器人的定位、導航、修復、任務規(guī)劃、重構(gòu)等自主運動及智能控制能力是小型機器人探測任務成功的關(guān)鍵。目前，中國在該技術(shù)方面與國際先進水平差距較大，智能控制研究多集中于地面飛行器控制領(lǐng)域。

6 發(fā)展趨勢展望

基于國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)梳理，總結(jié)面向月球、火星、小行星等不同需求的小型星表探測機器人的發(fā)展趨勢，可以發(fā)現(xiàn)：

1) 科學探測成為星表探測的原生驅(qū)動力。深空探測已經(jīng)從早期的以驗證工程技術(shù)為主，逐漸發(fā)展到以科學探測為主、工程技術(shù)驗證為輔的新階段，未來科學探測將成為深空探測發(fā)展的主流，如探索宇宙星體的形成與演變、生命的起源與進化等。因此，小型機器人能夠作為高科研價值的極端地形探測器之一，近距離、大范圍獲取星表及星表以下環(huán)境和樣品的信息，極大地增強人類空間科學探測能力的深度和廣度。

2) 小型化、模塊化、強地形適應性成為小型星表探測機器人設計需求。受限于航天器運載能力和高昂成本，小型機器人多搭載于大型探測器上，這要求機器人滿足小型化、高結(jié)構(gòu)強度需求；實際探測中要求機器人具備巡視探測、樣品采集、圖像傳輸?shù)榷喾矫娴墓ぷ髂芰ΓK化是實現(xiàn)該目標的重要途徑，可以根據(jù)任務需求快速組合、迭代和更換，提高機器人性能，降低開發(fā)和應用成本；隨著深空探測的深入，要求機器人的移動性能越來越強，覆蓋的范圍越來越廣，甚至需要對峽谷、熔巖管、懸崖、隕石坑、沙坑等地帶進行探測，因此，足式、輪腿式、飛行式、翻滾式等具備更優(yōu)越移動性能的小型機器人運動形式在未來有廣闊的星表探測應用前景。

3) 智能操作能力是未來小型機器人發(fā)展的核心能力。目前空間機器人智能程度相對較低，多采用遙操作和自主控制相結(jié)合的控制方式，對環(huán)境的應變能力差，控制周期長，大多只能完成簡單的、重復性工作。這一方面降低了機器人的工作效率，另一方面增加了地面操作員的工作強度和難度。而未來的深空探測中，需要小型機器人具備自主感知、規(guī)劃與導航能力，一定的精密載荷/儀器操作能力，和自主任務分析、執(zhí)行與重構(gòu)能力。因此進一步開發(fā)和應用人工智能、機器學習等技術(shù)，提高小型機器人的環(huán)境響應、自主判斷、智能分析和柔性操控能力是一個重要的發(fā)展趨勢，具備智能操作能力的小型機器人將是未來機器人領(lǐng)域的主力。

4) 集群協(xié)同工作是小型機器人執(zhí)行未來深空探測任務的主要形式。受限于包絡、體積和負載能力，小型機器人在單獨模式工作時，探測能力和操作能力較弱。而集群協(xié)作時，群體中單個機器人結(jié)構(gòu)可以進一步簡化、小型化、任務專門化，大大提高機器人工作的可靠性，增加作業(yè)執(zhí)行的靈活性；可以根據(jù)基地建設、復雜區(qū)域探測等環(huán)境狀態(tài)和任務需要，雙機器人或多機器人自由組合，構(gòu)成形態(tài)可選擇采用同構(gòu)式或異構(gòu)式的形態(tài)，既便于多機器人重構(gòu)和組合使用，也能顯著提高機器人的探測能力、探測效率、分析能力、搬運能力和操作能力。因此具有集群協(xié)同工作能力的小型機器人系統(tǒng)將是未來深空探測的主要形式和重要發(fā)展方向。

7 結(jié) 論

面向星表遍歷性數(shù)據(jù)和樣本獲取與極端地形深度探測任務需求，圍繞小型星表探測機器人設計與研制問題展開綜述，概述了當前國內(nèi)外作為大型探測器配置組件的小型機器人構(gòu)形設計與研究、樣機試驗現(xiàn)狀，系統(tǒng)總結(jié)了面向星表特殊任務環(huán)境的飛行式、輪式、足式和翻滾式小型機器人性能特點、關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢。本文的研究將對中國小型星表探測機器人的設計與研制中的關(guān)鍵技術(shù)問題和未來工作的開展具有參考作用。