王田苗 張韜懿 梁建宏 陳蛟

（北京航空航天大學(xué)，北京，100191）

窗外發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始轟鳴，飛機(jī)加速、起飛、爬升，歸國(guó)的旅途開(kāi)始了。兩個(gè)月的南極之行雖然短暫，但這兩個(gè)月讓我們永生不忘，地球之南的那塊神秘大陸也將永遠(yuǎn)烙印在記憶中。

機(jī)器人與南極之緣

南極，地球上最后一塊凈土，也是最神秘的大陸。南極有豐富的自然資源，也有無(wú)數(shù)未解的自然之謎，這里吸引著全世界的冒險(xiǎn)家，也像磁石一樣吸引著全世界的科學(xué)家們，從最早的探險(xiǎn)家徒步對(duì)南極進(jìn)行穿越，到二戰(zhàn)后人類(lèi)日益重視南極的戰(zhàn)略?xún)r(jià)值并開(kāi)始進(jìn)行常駐科考，人類(lèi)對(duì)南極的探索從未間斷。特別是經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，針對(duì)南極的科學(xué)考查在許多領(lǐng)域得到了全面的發(fā)展。

機(jī)器人作為一個(gè)應(yīng)用性很強(qiáng)的學(xué)科，和南極的結(jié)緣有其偶然性也有其必然性。偶然的是，一個(gè)很巧合的機(jī)會(huì)，研究機(jī)器人技術(shù)的學(xué)者和中國(guó)極地研究中心的專(zhuān)家們一起暢想科學(xué)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，引出了機(jī)器人是否可以在南極代替科考隊(duì)員進(jìn)行一些重復(fù)、危險(xiǎn)作業(yè)的想法，在獲得科技部863計(jì)劃的支持后，想法變?yōu)榱爽F(xiàn)實(shí)；必然的是，機(jī)器人誕生的目的就是代替人類(lèi)在危險(xiǎn)、不可達(dá)到或駐留的環(huán)境內(nèi)進(jìn)行作業(yè)，而這幾個(gè)環(huán)境要素南極均具備，有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)需求。機(jī)器人技術(shù)的生命力就在于和實(shí)際需求的結(jié)合，南極是一個(gè)全新的領(lǐng)域，也注定是一個(gè)可以讓機(jī)器人技術(shù)大展拳腳的領(lǐng)域。

人類(lèi)在南極建立了超過(guò)150個(gè)科考站，大多數(shù)處于沿海地區(qū)，只有6個(gè)科考站處于南極內(nèi)陸地區(qū)。內(nèi)陸站數(shù)量如此少，是因?yàn)槟蠘O內(nèi)陸常年被冰雪覆蓋，交通、后勤保障等十分困難，這對(duì)站上進(jìn)行科考的隊(duì)員是一個(gè)極大的考驗(yàn)。而無(wú)人科考站以機(jī)器人系統(tǒng)作為核心，不需要復(fù)雜的后勤保障，同時(shí)可以進(jìn)行常年不間斷的科學(xué)觀測(cè)和考察活動(dòng)，未來(lái)必將大大改變對(duì)南極內(nèi)陸科考的現(xiàn)狀。

冰雪覆蓋的南極

從2007年開(kāi)始，在科技部863計(jì)劃的支持下，北航機(jī)器人所和中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所合作承擔(dān)了極地機(jī)器人的項(xiàng)目，主要研發(fā)可用于極地科考的固定翼、旋翼飛行器以及地面漫游機(jī)器人。北航機(jī)器人所研制的固定翼無(wú)人機(jī)2007年首次應(yīng)用于南極科考，完成了海冰溫度探測(cè)及中山站航拍的任務(wù)。之后，北航參加了兩次南極科考，分別完成了小型無(wú)人機(jī)雪龍?zhí)柶痫w并撞網(wǎng)回收以及地面移動(dòng)機(jī)器人長(zhǎng)距離漫游實(shí)驗(yàn)。

奔赴南極的機(jī)器人

選擇無(wú)人機(jī)和地面移動(dòng)機(jī)器人作為研究方向，這是為未來(lái)建立中國(guó)自己的無(wú)人科考站提供技術(shù)儲(chǔ)備。但南極自身特殊的自然條件對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)提出了相當(dāng)苛刻的要求，研制和實(shí)驗(yàn)的過(guò)程充滿(mǎn)艱辛和危險(xiǎn)。然而，諸多第一手的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)只有通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)才能獲得，所以每次赴南極現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的機(jī)會(huì)都倍加珍貴。

奔赴南極的機(jī)器人

今年赴南極實(shí)驗(yàn)的機(jī)器人是“極地漫游者”再生能源移動(dòng)機(jī)器人和“海龜”仿生水下機(jī)器人。極地漫游者機(jī)器人是一款基于再生能源的地面移動(dòng)機(jī)器人，再生能源系統(tǒng)是其區(qū)別于傳統(tǒng)地面移動(dòng)機(jī)器人的最大不同。

傳統(tǒng)地面機(jī)器人多采用電池作為能源，大型無(wú)人車(chē)輛也會(huì)采用內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力，在常規(guī)環(huán)境下，其能源在耗盡后可以由人進(jìn)行補(bǔ)充或更換作業(yè)，但在南極地區(qū)，如果機(jī)器人在冰蓋漫游時(shí)能源耗盡，科考人員基本無(wú)法對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充，而且如果要建立無(wú)人科考站，就必須使機(jī)器人系統(tǒng)使用再生可循環(huán)的能源系統(tǒng)。

根據(jù)南極的自然條件，風(fēng)能是最可行的持續(xù)再生能源，這是因?yàn)榈孛孀枇π?、地?shì)等因素，南極地區(qū)常年具有強(qiáng)風(fēng)，可以整年為機(jī)器人系統(tǒng)提供能源；太陽(yáng)能具有時(shí)間分布的不均勻性，可以在夏季作為機(jī)器人系統(tǒng)的補(bǔ)充能源。但再生能源系統(tǒng)是否可行，其效率、可靠性、能源管理等問(wèn)題只能通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)去驗(yàn)證。

南極特有的地理地貌對(duì)機(jī)器人行駛方式也提出了要求。南極98%的面積被冰雪覆蓋，只有沿海地區(qū)會(huì)在夏季有地面裸露。機(jī)器人系統(tǒng)必須適應(yīng)沙土、巖石、松軟雪面、冰面等不同路況，以及內(nèi)陸由風(fēng)吹形成的雪脊地形。此外，基于提高機(jī)器人行駛部分效率和能源使用率的原因，我們沒(méi)有選擇冰雪環(huán)境常用的履帶式結(jié)構(gòu)而采用了輪式結(jié)構(gòu)；為使機(jī)器人在雪脊地形行駛更為穩(wěn)定，我們?cè)O(shè)計(jì)了差動(dòng)式連桿自平衡結(jié)構(gòu)，使機(jī)器人具有被動(dòng)和主動(dòng)調(diào)節(jié)自身側(cè)傾角度的能力，并且在單側(cè)翻越障礙時(shí)可以實(shí)時(shí)保持四輪同時(shí)著地。

艱苦的旅程

機(jī)器人系統(tǒng)事先在國(guó)內(nèi)進(jìn)行了多次的系統(tǒng)調(diào)試和模擬實(shí)驗(yàn)，做好了充分的嚴(yán)寒試驗(yàn)準(zhǔn)備。在接到行程通知后，我們開(kāi)始對(duì)機(jī)器人進(jìn)行嚴(yán)格包裝。

從北京到南極中山站路途12000多公里，機(jī)器人需要運(yùn)到上海，隨雪龍?zhí)枠O地考察船從上海出發(fā)，歷經(jīng)一個(gè)月的海上顛簸到達(dá)中山站。機(jī)器人采用集裝箱運(yùn)輸，拆裝的零部件一般不會(huì)丟失，但是雪龍?zhí)柾窘?jīng)極地西風(fēng)帶，此間數(shù)米高的海浪將會(huì)使船體產(chǎn)生很大的搖擺，如果機(jī)器人固定不穩(wěn)或者包裝有縫隙，就可能在風(fēng)浪中被撞散架。因此，我們將機(jī)器人進(jìn)行合理拆解，將主框架部分選擇合適的固定方式與包裝箱進(jìn)行綁定，使機(jī)器人本體中最重的主框架部分和包裝箱固連，同時(shí)，對(duì)控制系統(tǒng)等進(jìn)行單獨(dú)包裝并做好防震處理。通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，我們確定機(jī)器人包裝箱的尺寸要盡量接近集裝箱的內(nèi)尺寸，使箱體在集裝箱內(nèi)不會(huì)移動(dòng)，從而對(duì)機(jī)器人產(chǎn)生沖擊。同時(shí)，所有的裝箱要充分考慮到現(xiàn)場(chǎng)拆卸的難易程度以及二次包裝的可能性，因?yàn)闄C(jī)器人系統(tǒng)試驗(yàn)后要帶回國(guó)內(nèi)進(jìn)行后續(xù)的升級(jí)和實(shí)驗(yàn)工作。

前期大量的準(zhǔn)備工作將直接決定實(shí)驗(yàn)的成敗，因?yàn)槟蠘O試驗(yàn)中遇到的任何問(wèn)題必須通過(guò)十分有限的條件去解決，任何疏忽或遺漏都可能讓整個(gè)實(shí)驗(yàn)根本沒(méi)辦法開(kāi)展。

在經(jīng)歷了一個(gè)月的包裝設(shè)計(jì)、包裝箱制作以及拆卸包裝后，裝載著機(jī)器人本體、備用零件和工具的木箱啟程運(yùn)往上海港。在上海，機(jī)器人按照我們事先的計(jì)劃要求裝入規(guī)定的集裝箱，送入雪龍?zhí)枠O地考察船的大艙。

雪龍?zhí)栍?012年10月30日從上海極地中心碼頭出發(fā)前往廣州，11月5日在廣州舉行了隆重的出征儀式后，正式踏上了南下的征程。一個(gè)月后，機(jī)器人到達(dá)南極中山站。

在雪龍?zhí)柕谝淮畏祷匕拇罄麃嗊M(jìn)行補(bǔ)給時(shí)，機(jī)器人團(tuán)隊(duì)的科考隊(duì)員在澳大利亞霍巴特港登上了雪龍?zhí)?，這一天是2013年1月19日。

雪龍?zhí)柺俏覈?guó)從烏克蘭引進(jìn)并改裝的破冰科考船，也是我國(guó)現(xiàn)在唯一一艘執(zhí)行南北極科考任務(wù)的海船。和常見(jiàn)的遠(yuǎn)洋船舶不同，雪龍?zhí)柹暇哂型暾拇笱罂瓶紝?shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室，可以完成極地科考人員、物資的運(yùn)輸工作以及在大洋中進(jìn)行科考任務(wù)。

科考船駛出霍巴特港，迎面而來(lái)的西風(fēng)帶讓我們接受了南極之行的第一個(gè)考驗(yàn)——巨浪。最高達(dá)6m的大浪使雪龍?zhí)柌粩嗟卮蠓鶕u擺，穿越西風(fēng)帶大約需要一周時(shí)間，在這一周內(nèi)，劇烈的搖晃使大多數(shù)人產(chǎn)生了很?chē)?yán)重的暈船反應(yīng)，科考隊(duì)員們幾乎都是趴在床上數(shù)日子，食欲不振并且精神萎靡，暈船時(shí)吃飯成了一天中最困難的事情，剛吃下的飯?jiān)谖咐锊煌５胤v。飄泊三四天后，暈船的反應(yīng)漸漸變小，氣旋造成的浪涌也開(kāi)始逐步變小，科考隊(duì)員們也逐步恢復(fù)了一些活力。漸漸地，乒乓球室、籃球場(chǎng)等場(chǎng)所活動(dòng)的人也多了起來(lái)，雖然腳下船身還是在不停地?fù)u擺，但是為了在到達(dá)南極時(shí)有更好的體力和狀態(tài)投入工作，所有人開(kāi)始堅(jiān)持鍛煉。

鍛煉身體的科考隊(duì)員

經(jīng)歷15天的航行之后，雪龍?zhí)柦K于穿越南極圈進(jìn)入普里茨灣，也就是我國(guó)南極科考中山站的所在地。海上的冰山越來(lái)越多，溫度也越來(lái)越低，但是灣內(nèi)的洋面看起來(lái)十分平靜，很多第一次來(lái)到南極的隊(duì)員都對(duì)外界的一切充滿(mǎn)新奇，不約而同地用相機(jī)記錄著周遭的一切。

一望無(wú)際的浮冰區(qū)

船進(jìn)入錨地停泊。錨地到岸邊還有一段距離，這是因?yàn)樗缀透”姆N種情況，雪龍?zhí)枦](méi)有辦法直接靠岸。科考隊(duì)臨時(shí)黨委決定用直升機(jī)運(yùn)送本批6名科考隊(duì)員上岸。在幾分鐘的飛行后，飛機(jī)穩(wěn)穩(wěn)降落在中山站停機(jī)坪上，站上所有的人員都到停機(jī)坪附近迎接新來(lái)的科考隊(duì)員，據(jù)說(shuō)這是中山站的傳統(tǒng)。走下飛機(jī)，我們正式踏上了這片神秘的大陸。

實(shí)驗(yàn)大本營(yíng)——中山站

中山站位于普里茨灣的拉斯曼丘陵地區(qū)，附近有俄羅斯的進(jìn)步二站、印度巴拉提站、澳大利亞戴維斯站等3個(gè)考察站。中山站建筑較為分散，主要有宿舍棟、綜合棟、發(fā)電棟以及車(chē)庫(kù)。

進(jìn)入考察站稱(chēng)為“上站”，所有人上站的第一件事就是分配宿舍，大部分隊(duì)員都住在宿舍棟，但也有部分負(fù)責(zé)后勤保障崗位的隊(duì)員需要住在發(fā)電棟、污水處理?xiàng)澓蜌庀髼澾@些單獨(dú)的建筑內(nèi)。中山站的科考隊(duì)員分為越冬和度夏兩批，越冬隊(duì)員一直在站上堅(jiān)守到下一批科考隊(duì)來(lái)的時(shí)候，需要經(jīng)歷漫長(zhǎng)的冬季和極夜；度夏的隊(duì)員會(huì)在3月份返回國(guó)內(nèi)，工作的時(shí)間正好處于南極的夏季。

在科考站，外出有著嚴(yán)格的規(guī)定和程序，首先離開(kāi)站區(qū)需要向站長(zhǎng)請(qǐng)示，同時(shí)向報(bào)房報(bào)備。報(bào)房是中山站一個(gè)特殊的單位，負(fù)責(zé)衛(wèi)星通信保障、科考隊(duì)通知的轉(zhuǎn)達(dá)、對(duì)講和廣播系統(tǒng)的維護(hù)以及緊急事件的處理。每個(gè)離開(kāi)站區(qū)的科考隊(duì)員都需要去報(bào)房領(lǐng)取對(duì)講機(jī)，在離開(kāi)站區(qū)和回到站區(qū)時(shí)都要及時(shí)向報(bào)房進(jìn)行通報(bào)。同時(shí)，報(bào)房也是站區(qū)信息的中轉(zhuǎn)站，任何信息均可以通過(guò)對(duì)講機(jī)告知報(bào)房并向相關(guān)人員轉(zhuǎn)達(dá)。

中山站全景

中山站地處海邊地表裸露區(qū)，通往內(nèi)陸需要借助其他交通工具。站區(qū)的交通工具有三種，全地形車(chē)、雪地摩托以及雪地車(chē)。在地表裸露區(qū)全地形車(chē)速度最快，可以讓人員快速到達(dá)，但不能攜帶過(guò)重的貨物；雪地摩托適用于結(jié)冰的海面；較重物資和人員的運(yùn)送以及內(nèi)陸科考隊(duì)工作使用雪地車(chē)。直升飛機(jī)可以在100km范圍內(nèi)運(yùn)送人員和物資，科考站會(huì)優(yōu)先保障后勤及科考工作對(duì)交通工具的需求。

極地的考驗(yàn)一

在簡(jiǎn)單的安頓以及和站長(zhǎng)溝通初步的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃后，擺在我們眼前的首要任務(wù)就是考察附近實(shí)驗(yàn)環(huán)境和恢復(fù)機(jī)器人。

對(duì)站區(qū)附近約2km范圍內(nèi)進(jìn)行初步考察之后，我們初步選定了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)地實(shí)驗(yàn)，分別是站區(qū)下廣場(chǎng)附近砂石地面及站外冰雪區(qū)。

站區(qū)沙土路面

確定了實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)，接下來(lái)要將機(jī)器人拆卸包裝并恢復(fù)到國(guó)內(nèi)出發(fā)前的狀態(tài)，這時(shí)候一個(gè)意想不到的難題擺在了我們眼前。

集裝箱卸下船后被集中擺放在中山站發(fā)電棟附近，裝有機(jī)器人的集裝箱也不例外。因?yàn)闄C(jī)器人包裝木箱很重，要將包裝木箱從集裝箱中取出來(lái)需要使用叉車(chē)。中山站有叉車(chē)，可是叉車(chē)底盤(pán)較低，無(wú)法通過(guò)坎坷路面開(kāi)到集裝箱所在位置進(jìn)行作業(yè)，這是我們沒(méi)有想到的問(wèn)題。

包裝箱包含機(jī)器人自重超過(guò)700kg，靠人力無(wú)法將其拖出集裝箱。怎么辦？我們將困難通報(bào)給科考站，站里知道情況后，包括其他項(xiàng)目的科考隊(duì)員和后勤人員等都在幫忙出主意、想辦法，最終是柳工（廣西柳工機(jī)械股份有限公司）的機(jī)械師李傳洪想出了可行的方法——用站里的鏟斗車(chē)拖拽，將鏟斗車(chē)的牽引帶固定在木箱上，將木箱拉出集裝箱。

機(jī)器人包裝木箱

我們打開(kāi)木箱后，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人固定完好，沒(méi)有明顯的磕碰痕跡，證明出發(fā)前的固定包裝達(dá)到了預(yù)期的效果。將所有固定物拆除后，我們使用鏟斗車(chē)將機(jī)器人車(chē)架吊裝到發(fā)電棟內(nèi)。

發(fā)電棟上面有桁架吊車(chē)，方便我們對(duì)機(jī)器人進(jìn)行吊裝，所以我們將在中山站的臨時(shí)工作間設(shè)在了發(fā)電棟。

摘 要：在如今的教學(xué)中，翻轉(zhuǎn)課堂應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)改善課堂教學(xué)質(zhì)量發(fā)揮出了巨大的作用。結(jié)合小學(xué)英語(yǔ)課堂教學(xué)的實(shí)際情況，對(duì)翻轉(zhuǎn)課堂在小學(xué)英語(yǔ)教學(xué)中的應(yīng)用以及效果進(jìn)行了介紹，以期為相關(guān)人員提供借鑒。

大約花費(fèi)了兩天時(shí)間將機(jī)器人所有組件重新裝配并連接調(diào)試，機(jī)器人恢復(fù)到了出發(fā)前的狀態(tài)。

極地的考驗(yàn)二

本次南極實(shí)驗(yàn)的目的主要是驗(yàn)證機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)性和再生能源系統(tǒng)的可行性。風(fēng)能為主的再生能源系統(tǒng)因?yàn)楂@取的功率較小，無(wú)法滿(mǎn)足機(jī)器人持續(xù)工作的需求，故整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)如果使用風(fēng)能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，只能采用間歇式工作的模式。

為了盡量爭(zhēng)取更多的試驗(yàn)時(shí)間，我們商量后決定采用風(fēng)能系統(tǒng)單獨(dú)測(cè)試的方式：將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)固定于站區(qū)某一位置，在一個(gè)月左右的時(shí)間內(nèi)持續(xù)測(cè)試其獲取能源的情況；機(jī)器人則改造為使用發(fā)電機(jī)提供能源的模式，保證機(jī)器人可以長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作，以測(cè)試其他功能；與此同時(shí)，對(duì)機(jī)器人所消耗能源進(jìn)行記錄，并與風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)獲取能源的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

選擇風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝地點(diǎn)非常關(guān)鍵，經(jīng)過(guò)仔細(xì)考量，我們最終選擇了地勢(shì)開(kāi)闊建筑物少的天鵝嶺安裝風(fēng)機(jī)。

天鵝嶺安裝的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)

天鵝嶺位于中山站站區(qū)北側(cè)，距離站區(qū)約800m，這個(gè)位置車(chē)輛無(wú)法開(kāi)上來(lái)，因此風(fēng)能設(shè)備只能通過(guò)人力搬運(yùn)。別看這段距離不遠(yuǎn)，在其他科考隊(duì)友的幫助下，我們花了整整一下午的時(shí)間才完成。原本設(shè)想風(fēng)力發(fā)電機(jī)底座通過(guò)膨脹螺栓固定在地面，可以保證在大風(fēng)條件下發(fā)電機(jī)不會(huì)傾覆，但是中山站附近地表多為風(fēng)化巖石，十分松散，膨脹螺栓根本無(wú)法抓緊地面。于是大家使用了最原始的方法——用石塊壓住底座，以保證其不會(huì)傾覆。

還未正式開(kāi)展工作，我們就深深體會(huì)到：南極的很多自然條件都不是遠(yuǎn)在北京的時(shí)候能夠預(yù)想到的，再充分的預(yù)先準(zhǔn)備工作都不能完全滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的要求，很多解決方案只能就地取材。

極地的考驗(yàn)三

在完成風(fēng)力發(fā)電機(jī)采集系統(tǒng)安裝調(diào)試后，余下的工作都集中在機(jī)器人本體的實(shí)驗(yàn)上。針對(duì)機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)方法，主要包括選取具有代表性的地形和地面，進(jìn)行各種運(yùn)動(dòng)測(cè)試并記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)，從而驗(yàn)證該機(jī)器人的設(shè)計(jì)是否可以滿(mǎn)足南極地形、地面、自然條件的要求。

在站區(qū)的沙石路面試驗(yàn)中，由于實(shí)驗(yàn)路面靠近站區(qū)，常年被往來(lái)車(chē)輛碾壓，地面十分松軟，機(jī)器人在原地轉(zhuǎn)向中時(shí)常發(fā)生下陷的情況，有時(shí)甚至因?yàn)楣倪^(guò)大造成直流電源過(guò)載保護(hù)，這時(shí)候就只能關(guān)機(jī)等待數(shù)分鐘，重啟機(jī)器人系統(tǒng)。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試機(jī)器人

在冰雪路面進(jìn)行測(cè)試時(shí)，最害怕出現(xiàn)的情況就是出現(xiàn)局部地面下陷。因?yàn)槭悄蠘O的夏季，中山站附近冰雪表層會(huì)在太陽(yáng)的照射下發(fā)生融化，又在夜間重新凝結(jié)，表面形成一層薄薄的冰層，目視一片平坦，但其下面的雪可能較為松軟，甚至局部下面是完全的空洞。機(jī)器人行駛到這種區(qū)域就會(huì)發(fā)生下陷，當(dāng)單輪發(fā)生下陷時(shí)機(jī)器人尚有能力使用其他幾個(gè)輪的牽引力脫困，但當(dāng)多輪發(fā)生下陷時(shí)機(jī)器人就會(huì)完全失去抓地力，無(wú)法從雪坑中開(kāi)出?？瓶缄?duì)員在操作機(jī)器人時(shí)同樣面臨這種危險(xiǎn)，很容易發(fā)生掉入雪坑的情況。

試驗(yàn)中陷入雪坑的隊(duì)員

在中山站區(qū)附近，雪面較薄，一般不會(huì)有太深的裂縫。但在南極內(nèi)陸，積雪厚度平均超過(guò)1km，掉入冰裂縫的后果不堪想象。面對(duì)此種情況，我們聯(lián)想到未來(lái)機(jī)器人在進(jìn)行自主漫游時(shí)需要攜帶諸如冰雷達(dá)一類(lèi)的傳感器，以探測(cè)雪面的具體情況，從而避免陷入裂縫無(wú)法脫身的情況。

極地的考驗(yàn)四

機(jī)器人在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中偶爾會(huì)發(fā)生一些小故障，有控制系統(tǒng)軟件或硬件的故障，也有機(jī)械部分的問(wèn)題，都需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行維修，甚至就在雪面上進(jìn)行維修。這些都增加了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的難度。

冰蓋現(xiàn)場(chǎng)拆卸機(jī)器人

有一次，機(jī)器人工作一段時(shí)間后，我們對(duì)松動(dòng)的螺絲進(jìn)行緊固，扳手使用后隨手就放在雪面上。實(shí)驗(yàn)完成后，再去尋找扳手怎么也找不到。后來(lái)發(fā)現(xiàn)，扳手是金屬材料，它吸收了太陽(yáng)的熱量后溫度變高，將周?chē)难┤诨蟊愕羧胙┲衼G失。此后每次試驗(yàn)，我們都要將所有基本工具放入一個(gè)袋子中，用完及時(shí)收回。類(lèi)似很小的細(xì)節(jié)處處決定著實(shí)驗(yàn)的成敗，如果機(jī)器人在內(nèi)陸進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)需要維修，一個(gè)工具的短缺就會(huì)造成當(dāng)天整個(gè)實(shí)驗(yàn)停頓，因?yàn)閮?nèi)陸往返站區(qū)的路途時(shí)間超過(guò)5個(gè)小時(shí)，當(dāng)天根本無(wú)法彌補(bǔ)錯(cuò)漏。因此，在南極，我們學(xué)會(huì)了比在北京更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鳒?zhǔn)備，更加注意每一個(gè)細(xì)節(jié)。

極地的考驗(yàn)五

在中山站區(qū)實(shí)驗(yàn)基本完成后，我們面臨的工作就是最困難的內(nèi)陸實(shí)驗(yàn)了。

首先要解決的就是運(yùn)輸問(wèn)題。中山站通往內(nèi)陸出發(fā)基地大約10km路程，途中需要翻越俄羅斯科考站“進(jìn)步二站”后面的山坡，那里只有一條可以通向內(nèi)陸的道路，被科考隊(duì)員稱(chēng)為“俄羅斯大坡”。這是一條被雪地車(chē)壓出來(lái)的道路，山脊的兩側(cè)平均坡度不低于30°，雪地車(chē)翻越時(shí)十分困難。由于路面已經(jīng)被雪地車(chē)履帶碾壓形成了超過(guò)10cm的松軟沙土層，機(jī)器人自己很難通過(guò)這個(gè)特殊的路段，內(nèi)陸實(shí)驗(yàn)只能通過(guò)載具將機(jī)器人運(yùn)輸過(guò)去。

去往內(nèi)陸實(shí)驗(yàn)，由于雪地車(chē)的后斗圍欄不能拆卸，只能通過(guò)吊裝的方式裝卸機(jī)器人，這就要求必須有帶吊車(chē)的雪地車(chē)一同前往。所以，實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的實(shí)施必須和內(nèi)陸科考隊(duì)進(jìn)行協(xié)調(diào)，在他們前往內(nèi)陸出發(fā)基地整理物資的時(shí)候?qū)C(jī)器人運(yùn)送至內(nèi)陸冰蓋地區(qū)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

往內(nèi)陸出發(fā)基地吊裝機(jī)器人

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程充滿(mǎn)波折和不確定性，首先就是車(chē)輛的固定和裝卸。中山站只有一輛帶有后斗的雪地車(chē)，幸運(yùn)的是，機(jī)器人的外尺寸正好比這個(gè)后斗略小。

第一次實(shí)驗(yàn)選擇的方式是將四個(gè)輪胎和外圍欄固定，在經(jīng)歷2個(gè)多小時(shí)路程達(dá)到冰蓋之后，機(jī)器人被吊下雪地車(chē)。在雪面上，開(kāi)機(jī)行走的機(jī)器人發(fā)出異常響聲，并出現(xiàn)了個(gè)別輪不轉(zhuǎn)的情況，這時(shí)只能停下實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢修。將機(jī)器人吊裝懸空后發(fā)現(xiàn)：在發(fā)送運(yùn)動(dòng)命令后，有兩個(gè)輪子不轉(zhuǎn)動(dòng)，檢查后發(fā)現(xiàn)是輪轂電機(jī)連接的減速器外殼發(fā)生了松動(dòng)，從而使傳動(dòng)齒輪出現(xiàn)了卡死的狀況。當(dāng)時(shí)在冰蓋上沒(méi)有條件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)維修，只能將機(jī)器人運(yùn)回站區(qū)進(jìn)行檢修。

回到站上，我們對(duì)此情況進(jìn)行了具體分析，確定是由于運(yùn)輸過(guò)程中顛簸震動(dòng)使減速器產(chǎn)生了松動(dòng)和變形，因?yàn)檠┑剀?chē)采用履帶式結(jié)構(gòu)但沒(méi)有任何懸掛裝置，為提高耐用性履帶采用的是金屬活節(jié)結(jié)構(gòu)，履刺在沙土路面和巖石路面行走過(guò)程中車(chē)輛的沖擊震動(dòng)很大，而我們選擇的固定方式是將車(chē)體和機(jī)器人完全固連，并沒(méi)有任何緩沖的措施，車(chē)底的震動(dòng)完全傳導(dǎo)至機(jī)器人上，運(yùn)輸過(guò)程中長(zhǎng)時(shí)間的顛簸震動(dòng)造成了機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的松動(dòng)。

極地的考驗(yàn)六

時(shí)間不知不覺(jué)就到了春節(jié)，在這個(gè)舉家團(tuán)圓的日子里，遠(yuǎn)離祖國(guó)萬(wàn)里之外的中山站仍然是一派繁忙緊張的工作氛圍，只是在年夜飯吃了餃子，讓大家恍然一悟“原來(lái)過(guò)年了”，其余時(shí)間所有人還是分別忙碌在科研和后勤的崗位上，給家人的一個(gè)電話就是這個(gè)特殊的時(shí)間里對(duì)自己最大的慰藉。

二個(gè)月艱苦的工作，讓我們感受到：中山站真是一個(gè)共產(chǎn)主義的地方，在這里所有人都隨時(shí)準(zhǔn)備著也樂(lè)于為其他人提供幫助，不管是搬運(yùn)的體力活還是焊線、修機(jī)器人的技術(shù)活，只要有困難，站里的所有人員都會(huì)無(wú)私的提供任何幫助。這在維修機(jī)器人的過(guò)程中體現(xiàn)得淋漓盡致，減速機(jī)需要拆卸、清洗、檢查并重新裝配，站上維護(hù)發(fā)電機(jī)的技師老鄭就為我們提供了很多幫助。

發(fā)電棟內(nèi)調(diào)試機(jī)器人

極地的考驗(yàn)七

經(jīng)過(guò)幾天的檢測(cè)維修，機(jī)器人終于得以恢復(fù)，但意想不到的情況總是接踵而至。

在機(jī)器人維修好之后，需要進(jìn)行低強(qiáng)度的測(cè)試以觀察系統(tǒng)狀態(tài)。當(dāng)天午飯后測(cè)試剛剛開(kāi)始，站區(qū)刮起了6級(jí)左右的風(fēng)。風(fēng)雖然大了些，但沒(méi)有出現(xiàn)風(fēng)吹雪的情況，我們決定在發(fā)電棟到宿舍棟之間的廣場(chǎng)上繼續(xù)進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和控制的測(cè)試。

在測(cè)試進(jìn)行的過(guò)程中，突然風(fēng)開(kāi)始變大，地面的雪開(kāi)始被風(fēng)吹起，出現(xiàn)了南極常見(jiàn)的風(fēng)吹雪天氣。實(shí)驗(yàn)被迫中斷，我們只得將機(jī)器人開(kāi)回去。在回發(fā)電棟的路上，風(fēng)力飛速變大，能見(jiàn)度已經(jīng)不足5m，完全無(wú)法辨別前方情況。為了避免機(jī)器人翻入發(fā)電棟門(mén)外的一條溝內(nèi)，我們只能將其關(guān)機(jī)停在原地，打算風(fēng)停后再將其弄回發(fā)電棟。

南極最大的特點(diǎn)就是刮風(fēng)，平時(shí)在站里體會(huì)不深，但是這次牽掛著戶(hù)外的機(jī)器人，很是揪心。風(fēng)從下午一直刮到深夜，晚上最大風(fēng)速甚至超過(guò)32m/s，達(dá)到了12級(jí)風(fēng)的速度，站長(zhǎng)通知所有人不得外出，透過(guò)窗戶(hù)看到巨大的風(fēng)夾著雪將中山站很多集裝箱逐步掩埋，我們忐忑得很，不知道機(jī)器人是怎樣的情況。

第二天是無(wú)風(fēng)天，但整個(gè)中山站已經(jīng)完全改變了模樣，所有裸露的地面都被積雪覆蓋，連站區(qū)的莫愁湖都被積雪完全掩蓋，積雪最厚的地方超過(guò)1m。大清早我們趕緊出去找機(jī)器人，記得當(dāng)時(shí)把它停在一個(gè)集裝箱的后面，遠(yuǎn)遠(yuǎn)地看到了機(jī)器人上部紅色的風(fēng)機(jī)扇葉，其他地方因?yàn)闅饬鳟a(chǎn)生的漩渦已經(jīng)被積雪完全覆蓋?！斑€好，機(jī)器人還在”。我們輕輕地松了一口氣。

雪后被掩埋的機(jī)器人

幾個(gè)人用鐵鍬和掃把整整挖弄了一上午，機(jī)器人身上的雪才被基本清理干凈，但經(jīng)過(guò)這樣的掩埋之后機(jī)器人系統(tǒng)是否正常工作著實(shí)讓人擔(dān)心。啟動(dòng)之前，大家?guī)е谂涡φf(shuō)：“如果這樣都沒(méi)事，機(jī)器人就真耐凍了。”

旋開(kāi)機(jī)器人發(fā)電機(jī)的開(kāi)關(guān)，發(fā)電機(jī)一切正常，隨著控制箱內(nèi)嘀嘀的聲響，系統(tǒng)連接完畢；發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令，機(jī)器人往后退了一下，一切正常！我們長(zhǎng)舒了一口氣，后續(xù)的實(shí)驗(yàn)還能繼續(xù)進(jìn)行，這個(gè)意外也意外驗(yàn)證了系統(tǒng)耐低溫設(shè)計(jì)的可靠性。

極地的考驗(yàn)八

隨著時(shí)間的推移和實(shí)驗(yàn)的逐步進(jìn)行，我們離返回的日子越來(lái)越近。然而第一次冰蓋實(shí)驗(yàn)的遺憾仍然縈繞在心頭，如果條件允許，我們真希望再去進(jìn)行一次冰蓋實(shí)驗(yàn)，不給南極之行留下遺憾。但是這時(shí)日，內(nèi)陸隊(duì)的雪地車(chē)已經(jīng)保養(yǎng)并封存，如果想去內(nèi)陸實(shí)驗(yàn)只能通過(guò)直升飛機(jī)運(yùn)輸裝備。

直升機(jī)吊裝機(jī)器人

在和站長(zhǎng)溝通并請(qǐng)示科考隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)后，我們征得同意使用直升飛機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。

但新的問(wèn)題又出現(xiàn)在眼前，如何吊裝機(jī)器人？如果直接使用直升機(jī)吊裝機(jī)器人，300kg的機(jī)器人在卡32直升機(jī)共軸反槳推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生的強(qiáng)大氣流下可能會(huì)擺動(dòng)，在著陸的一瞬間很可能發(fā)生翻滾從而損壞。對(duì)此，為了保證安全只能將機(jī)器人固定于集裝箱內(nèi)吊裝。但全尺寸集裝箱接近3000kg自重，卡32吊裝后接近極限載重，機(jī)組人員擔(dān)心發(fā)生危險(xiǎn)，故只能使用半高集裝箱。

新問(wèn)題接二連三，機(jī)器人自身高度高于半高集裝箱入口，無(wú)法駛?cè)爰b箱。這時(shí)可變角度的擺腿機(jī)構(gòu)發(fā)揮了作用，將擺腿角度變大使底盤(pán)降低，機(jī)器人在拆卸掉風(fēng)力發(fā)電機(jī)后剛好可以駛?cè)爰b箱。將機(jī)器人、風(fēng)力發(fā)電機(jī)和其他配件固定在集裝箱內(nèi)后，我們終于順利地用直升機(jī)將機(jī)器人吊到距離內(nèi)陸出發(fā)基地2km的俄羅斯進(jìn)步一站附近進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

珍貴的收獲

回顧整個(gè)南極實(shí)驗(yàn)，各種波折和小插曲伴隨著我們?cè)谥猩秸镜拿恳惶??；蛟S這正是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)該反映出來(lái)要求我們努力解決的問(wèn)題。總結(jié)這些問(wèn)題，我們發(fā)現(xiàn)，大多出現(xiàn)在平時(shí)不會(huì)太注意的細(xì)節(jié)上，因?yàn)樵趪?guó)內(nèi)進(jìn)行科研和實(shí)驗(yàn)工作，即使出現(xiàn)一些疏漏和錯(cuò)誤，身邊都有十分便利的解決問(wèn)題的條件和手段。但在南極這種近乎孤島的地方，任何一個(gè)小細(xì)節(jié)的疏忽都可能會(huì)造成無(wú)法挽回的損失。試想一下，現(xiàn)在的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)有人全程進(jìn)行監(jiān)控和維護(hù)，未來(lái)自主漫游的機(jī)器人在工作時(shí)，沒(méi)有人維護(hù)，任何一個(gè)細(xì)節(jié)考慮不周都會(huì)造成不可挽回的結(jié)果。

這次南極之行完成了機(jī)器人樣機(jī)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，基本驗(yàn)證了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)對(duì)南極特有自然環(huán)境的適應(yīng)性，同時(shí)驗(yàn)證了可再生能源系統(tǒng)在南極運(yùn)行的穩(wěn)定性和可行性。但一些有待我們進(jìn)一步解決的問(wèn)題也被反映出來(lái)，例如風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)功率不高，機(jī)器人的持續(xù)工作時(shí)間所占比例很小，未來(lái)需要提高能源獲取系統(tǒng)的功率密度，使機(jī)器人系統(tǒng)工作時(shí)間比例提升，從而進(jìn)行更多的科考作業(yè)；低溫功率電池系統(tǒng)仍然不成熟，在南極夏季工作狀態(tài)基本滿(mǎn)足要求，但冬季氣溫更低或在內(nèi)陸工作時(shí)不能滿(mǎn)足要求；太陽(yáng)能采集效率較低，剛性的太陽(yáng)能板會(huì)帶來(lái)較大的風(fēng)阻使機(jī)器人側(cè)翻；衛(wèi)星通信實(shí)時(shí)性不高，傳輸帶寬較低；冰雷達(dá)沒(méi)有小型化，機(jī)器人搭載較為困難；機(jī)器人沒(méi)有設(shè)計(jì)側(cè)翻、下陷自救機(jī)構(gòu)，遇到突發(fā)情況后難以脫困；所選輪胎接地壓強(qiáng)較大，雪面原地轉(zhuǎn)向模式容易發(fā)生下陷，且充氣輪胎存在不可靠因素，擬在未來(lái)采用固體輪胎。

這些收獲在項(xiàng)目的后續(xù)科研工作中都是最寶貴的第一手資料，只有經(jīng)過(guò)不斷的“改進(jìn)—實(shí)驗(yàn)”多輪迭代才能最終設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足南極苛刻自然環(huán)境要求的自主式漫游機(jī)器人系統(tǒng)，在未來(lái)真正將無(wú)人科考站從概念變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，形成一個(gè)具有國(guó)際展示度的亮點(diǎn)，提升中國(guó)南極科考技術(shù)水平。

內(nèi)陸出發(fā)基地實(shí)驗(yàn)

南極科考之行也是一段難得的人生經(jīng)歷，這里是一個(gè)與世隔絕的地方，科考之中經(jīng)歷的種種困難挫折在出發(fā)前都是無(wú)法想象的，當(dāng)這些問(wèn)題真的擺在面前甚至接踵而至?xí)r，我們的團(tuán)隊(duì)沒(méi)有產(chǎn)生過(guò)動(dòng)搖和退縮，同時(shí)也很感謝其他隊(duì)員提供的無(wú)私幫助和鼓勵(lì)。這段經(jīng)歷讓我們對(duì)科研的意義和對(duì)待科研的態(tài)度有了更深刻、更全面的認(rèn)識(shí)，也讓我們發(fā)自?xún)?nèi)心地更加熱愛(ài)自己從事的事業(yè)，以一種榮譽(yù)感和使命感激勵(lì)自己為機(jī)器人學(xué)科的發(fā)展去拼搏、去奮斗。借用一位南極科考前輩的話：“南極是一個(gè)神秘的地方，只要你踏上過(guò)南極的土地，你的一生中都會(huì)有南極的烙印?！?/p>