官開楦

摘要 本文提出一種進行月球探測載荷設計方案。利用人形機器人進行動作演示和技術驗證，并提出“登月機器人宇航員”新名詞。該方案也可認為是利用人形機器人宇航員替代真人宇航員進行一些載人登月預演，加上驗證人形機器人本身的技術。另外還探測重力加速度。該方案有目標創(chuàng)新性，技術繼承性，工程可實現性，兼具科普意義、科學意義、愛國主義教育意義和經濟意義，各項意義重大。

關鍵詞 載人登月；月球探測；月球探測載荷；登月宇航員；機器人；空間機器人；人形機器人；登月機器人宇航員

中圖分類號 TP242 文獻標識碼 A 文章編號2095—6363（2016）13—0023—07

1背景

現在各國競相開發(fā)人形機器人。有10kg以上的（以下稱大型），3kg～10kg的（以下稱中型），也3kg以下的（以下稱小型）。大型的，比如本田公司的ASIMO，日本產業(yè)技術綜合研究所的HRP系列人形機器人，NASA的人形機器人Valkyrie，韓國科學技術院（KAIST）的人形機器人Hubo。小型的，比如日本近藤科學公司的KHR 3HV（17自由度，約1.5kg），中國廣東優(yōu)必選公司的AlphalS（圖1）（16自由度，1.65kg），同公司的Alpha2（圖2）（20自由度，不到3kg）。值得一提的是，我國廣東優(yōu)必選公司的Alpha小型人形機器人，在2016春節(jié)晚會驚艷亮相，引起不少關注。

人形機器人具有人類使用的工具，環(huán)境不經過改造就可直接利用，容易使用遙控操作的特點，又無需生命保障系統，在深空探測中將大有作為。能在宇航員到達天體目標前執(zhí)行先驅者探測，也能和宇航員協作完成任務。研究高度智能的人形機器人來幫助，甚至替代宇航員進行危險的深空探測任務是趨勢。但基于現有的一些約束條件和目前的技術水平，直接上復雜的人形機器人不太現實。

所以，筆者提出一種身高40cm以下，具有18個自由度的，3kg以下的可愛的小型人形機器人，穿上無生命保障系統的簡易航天服，進行動作演示和技術驗證的方案。并提出“登月機器人宇航員”新名詞。雖小型，但能完成多項動作演示和技術驗證。動作演示能激發(fā)科技學習創(chuàng)作熱情和愛國主義熱情，傳播科學精神，推動科學普及。驗證的技術具有科學意義，也具有承上啟下的作用，為未來的中國載人登月和建設月球基地等打下技術基礎。所以該方案也可認為是利用人形機器人宇航員替代真人宇航員進行一些載人登月預演，加上驗證人形機器人本身的技術。另外還探測重力加速度。該方案有目標創(chuàng)新性、技術繼承性、工程可實現性。兼具科普意義、科學意義、愛國主義教育意義和經濟意義。

2探測或演示目標

2.1動作演示

1）唱國歌；2）揮動小國旗，問候“我是第一個登上月球的機器人宇航員，向全中國人民和全世界人民問好”；3）做打太極拳動作（雙腳固定）；4）隨音樂節(jié)奏做舞蹈表演；5）向小朋友、中小學生講解月球的科普知識；6）展示月面，月球的天空，著陸器內部的圖像；7）與小朋友、中小學生對話；8）做單擺實驗，在月球的地面上測量月球背面的精確的重力加速度。并驗證日本，美國衛(wèi)星在月球背面的重力場觀測數據。

高真空中沒有空氣阻力可做高精度測量，而且需要的器材簡單輕便。實際上在月面時可以用類單擺的實驗裝置，實驗裝置可以做到很輕很小。但原理一樣。在月球上只要利用攝像頭得到的圖像就可以得到擺動周期，從而計算出月面上的重力加速度。利用人形機器人的機械手來擺動實驗裝置。得到的月面上的重力加速度可以驗證日本，美國衛(wèi)星在月球背面的重力場觀測數據。

為了達到科普目的，把實驗原理、實驗裝置、實驗方法、實驗結果載入高中課本。想補充說明的是，載入高中課本，不只可以科普，培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維，還可以讓高中生知道我國的嫦娥探測工程成就，增強民族自豪感和愛國熱情。高中階段培養(yǎng)此種自豪感，無疑對奠定熱愛祖國的人生觀，對培養(yǎng)立志長大后把自己的聰明才智獻給祖國的觀念有巨大推動作用。另外想補充說明一點，不止有科普意義，把結果發(fā)表到權威科學雜志上還可達到科學目的。關于實驗原理等筆者稍后會再加說明。

2.2技術驗證

1）驗證地月間的聲音處理、編碼、壓縮、傳輸技術。通信時間延遲，通信容量有限的情況下的聲音傳輸技術驗證，為將來的載人登月提供幫助。簡易航天服由防熱層，防輻射層，密封層組成，里面充滿空氣，可以傳播聲音，模擬真人宇航員穿著航天服，進行聲音方面的技術驗證。

2）驗證機器人的聲控技術、語言理解技術、語音處理技術、會話技術。

3）驗證機器人的圖像處理技術（基于圖像的機器人自主操作技術）。

4）驗證地月間的視頻處理、編碼、壓縮、傳輸技術。

5）驗證機器人的遙控操作技術。從地球上遙控在深空工作的機器人技術是重大關鍵技術之一。遙控機器人從工具盒中拿出，釋放，收起擺球，遙控機器人拿起，揮動，收起小國旗，可以成為驗證機器人的遙控操作技術的好手段。遙控方案分為3個階段，難度逐漸增加，達到比較全面掌握在深空工作的多自由機器人技術。

6）驗證人類控制與機器人自主控制的分配協調控制技術。

7）驗證有模擬時延情況下的遙控技術。用軟件模擬時延1min，5min，10min，20min，40min等，進行遙控。40min的情景類似地球與火星間的通信情況，所獲得的遙控技術可用于接下去的我國的火星探測機器人上。

8）驗證機器人本身的各項技術。驗證硬件器材技術，多自由度建模技術，多自由度控制技術，力控制技術。驗證有多個自由度，類人形的機器人在月面上的控制技術，機構匹配技術，智能信息處理技術。驗證在約1/6地球重力的月面上的機器人技術。為將來更加復雜，高度智能的機器人宇航員提供技術幫助。

9）驗證機器人的動作規(guī)劃技術。

10）驗證機器人的服務基本技術（目視檢查，設備操作，精密操作，工具操作技術）。通過釋放擺球，拿起，揮動，收起小國旗，通過照著陸器內部圖像進行驗證。為研究將來在月球基地進行服務的機器人打下技術基礎。endprint

11）驗證機器人的控制等軟件地面可更新技術。

12）驗證機器人與人對話交流時，講話與身體動作的協調配合技術。

13）驗證機器人的監(jiān)視技術。把著陸器看成一個小無人月球基地，把機器人看成在月球基地內部服務的物體，通過機器人頭部的攝像頭，把著陸器內部的其他儀表儀器的狀況的視頻傳輸到地面，起到監(jiān)視的作用。為將來的月球基地建設提供幫助。

14）驗證國產芯片龍芯CPU和自主嵌入式操作系統在登月機器人上的應用技術。據悉，國產芯片龍芯CPU有足夠好的性能，強烈建議使用國產CPU和操作系統。發(fā)揮投資航天，帶動產業(yè)的作用。

15）驗證空間機器人模擬仿真技術。地面上的電腦模擬仿真模型與實際的機器人相互驗證。

16）驗證簡化航天服的熱防護技術。

17）驗證機器人與無生命系統宇航服的協調匹配使用技術。

3探測方案

3.1設備組成

設備組成的示意圖如圖3所示。

設備主要由4大部分組成：1）登月機器人宇航員；2）航天服；3）外盒；4）Joystick。機器人外面穿著航天服。航天服無需生命保障系統，主要由防熱層，防輻射層，密封層組成，可做到輕薄。里面充滿空氣，可以傳播聲音，模擬真人宇航員穿著航天服，進行聲音方面的技術驗證。充滿空氣，也有緩沖作用，可防止在發(fā)射，著陸的一系列過程中撞壞機器人。穿著航天服的人形機器人的腳用螺絲固定在外盒上。外盒由輕薄，堅硬，透明的材料做成，通過彈簧固定在月面著陸器里面。Joystick主要是在地面上遙控在月面上的機器人。下面詳細描述四大部分設備。

3.1.1登月機器人宇航員

硬件方面，主要的構件如圖4所示。

各構件的用途等如表1所示。

機器人宇航員的自由度的示意圖如圖5所示。

圖5的左邊，右邊分別為自由度的正面圖和側視圖。肩膀3個自由度，手臂1個自由度，腳部3個自由度。頸部有2個自由度。圖5中未畫出終點的手的自由度。終端的手的自由度如圖6所示，有1個自由度，能夠夾緊，釋放操作對象。如此，機器人共有18個自由度。能滿足本次任務要求。

軟件方面，由嵌入式操作系統，必要的機器人控制軟件，語音處理軟件，圖像處理軟件等。建議采用有自主產權的國產嵌入式操作系統。

3.1.2航天服

航天服為無生命支持功能的簡易航天服。硬件方面，主要的構件如圖7所示。

航天服主要由頭罩、服裝、通信盒組成。頭罩可由輕質塑料做成。前面要求透明，要保證機器人宇航員的頭部攝像頭能夠拍攝到航天服外部的物體。服裝由紡織材料做成。主要由防熱層、防輻射層、密封層組成，可做到又輕又薄。里面充滿空氣，可以傳播聲音，模擬真人宇航員穿著航天服，進行聲音方面的技術驗證。充滿空氣，也有緩沖作用，可防止在發(fā)射，著陸的一系列過程中撞壞機器人。防熱層用于使航天服里面的機器人處于一個合適的溫度范圍。防輻射層用于遮擋宇宙的輻射線。密封層用于使航天服處于密封狀態(tài)，使航天服里面的空氣不外漏。

通信盒位于航天服的背后。通信盒的各構件的用途等如表2所示。

軟件方面，無需復雜的軟件，只需一些實現喇叭，麥克風，溫度傳感器等功能的軟件。由單片機處理。

3.1.3外盒

外盒由輕薄，堅硬，透明的材料做成，固定在月面著陸器里面。穿著航天服的人形機器人的腳用螺絲固定在外盆上。

外盒上可標些點，線，供標定，定位等使用。外盒上面的四角和中間都釘上掛鉤，看著陸器的傾斜情況選用一個掛擺球。

硬件方面，主要的構件如圖8所示。

外盒的各構件的用途等如表3所示。

軟件方面，無需復雜的軟件，只需一些實現控制光源，4個攝像頭，把視頻信號傳輸到著陸器等功能的軟件。由單片機處理。

3.1.4在地面遙控操作用控制器

遙控操作用控制器可以用Joystick，也可以用其他的Haptic Interface設備。在地面的控制器可看成為Master，在月面上的人形機器人可看成為Slave。組成Master-Slave系統，實現遙控操作技術驗證。

3.2探測原理

3.2.1動作演示原理

下面對單擺實驗的原理進行詳細地描述。其他的動作演示的原理容易明白，不再贅述。

1）在月面上利用單擺實驗測量重力加速度的原理。單擺由擺球和擺線組成，如圖9所示。

此處的α就是單擺的最大擺角。

由（11）式、（28）式可知，只要能測得月面上單擺的振動周期T，就可以求出月面上的重力加速度。而振動周期T可以利用外盒的攝像頭得到的圖像得出。從嚴謹的科學角度來說，用（28）式計算，發(fā)表學術論文。而從科普的角度來說，用（11）式計算，把實驗原理、實驗裝置、實驗結果載入高中課本。利用人形機器人的機械手來擺動實驗裝置而達到做實驗的目的。得到的月面上的重力加速度可以驗證日本，美國衛(wèi)星在月球背面的重力場觀測數據。

3.2.2技術驗證原理

下面對遙控操作的原理（方案）進行重點描述。其他的關于會話，音頻信息處理，視頻信息處理，機器人控制等的技術驗證的原理在此寫的話變成一本厚厚的書不現實，而且可以從有關書籍、論文獲得，所以筆者覺得沒必要在此敘述。

1）遙控操作的原理。對遙控操作，筆者建議的方案是分3個階段進行。復雜度逐漸增加。以便比較全面地掌握，驗證遙控操作的技術。

（1）第1階段

操作方式：利用Joystick方式。

控制方法：單向控制（Unilateral Control）。

操作設備：比如可以用游戲用的Joystick。endprint

特點：只把操作者的動作指令傳給機器人。無力反饋信息。

（2）第2階段

操作方式：利用主從方式（Master-Slave）。

控制方法：雙向控制（Bilateral Control）。

操作設備：比如可以利用Haptic Interface設備。

特點：設想周圍環(huán)境信息可知。有力反饋信息。

（3）第3階段

第3階段是第2階段的拓展，與第2階段類似，但設想周圍環(huán)境信息不足情況下進行遙控操作。

操作方式：利用主從方式（Master-Slave）。

控制方法：雙向控制（Bilateral Control）。

操作設備：比如可以利用Haptic Interface設備。

特點：設想周圍環(huán)境信息不足。有力反饋信息。

有時間延遲情況下的控制方法。對有時間延遲情況下的遙控操作的控制方法的研究比較多，比如文獻[1]、[2]、[3]，筆者在此不做多述。人形機器人的全身運動的遙控方法。實現對人形機器人的全身運動的遙控方法，可參考文獻[4]。

3.3安裝方式

外盒安裝在著陸器里面。通過彈簧固定在著陸器里面。

3.4工作模式

在月夜進行休眠模式。

3.5與探測器平臺接口要求

沒有特殊要求。

1）供電接口。要求在非休眠模式，在工作時供電。估計不用超過20W。

2）通訊接口。與外盒，簡易航天服內的單片機通信時用Ethernet有線通信。與人形機器人的通信可以用Ethernet有線通信，或者無線通信（Bluetooth或WiFi）。

3）機械接口。由于人形機器人的高度約35mm左右，估計外盒的高度要40mm。外盒的長度，寬度，估計不要少于15mm，如果條件允許，可以再加長點，讓人形機器人有更多的伸展手腳的空間。

4）熱接口。設想是，外盒有熱接口通道，由著陸器上的熱控設備提供初步熱控，把外盒控制在±80℃范圍內。如此，人形機器人由簡易航天服的防熱層提供2次防熱保護，簡易航天服只要能承受±80℃就行。

4項目創(chuàng)新性

1）國際上首次把人形機器人送上月球；2）國際上首次把人形機器人用于月球探測；用人形機器人進行操作實驗；3）國際上首次在月面上用人形機器人模擬真人登月宇航員進行技術實驗；4）國際上首次把人形機器人與無生命支持系統宇航服協調匹配使用；5）國際上首次實現地球上的人類與月球上的機器人對話；6）國際上首次實現地球外星球上機器人用機器人揮動一個國家的國旗；7）國際上首次實現用機器人在地球外星球上向地球上全世界人民問好；8）國際上首次在月面上遙控人形機器人做實驗；9）國際上首次在月面上用單擺實驗測量重力加速度；10）設想載荷在月球背面的話，可做到國際上首次在月球背面測量重力加速度。

5科學或科普意義

5.1科普意義

1）申請發(fā)明專利和外觀專利。人形機器人的外觀設計成可愛有特色的，讓小朋友、中小學生喜歡的。

2）在各類科技館展示登月機器人宇航員；并提供親自遙控機器人體驗揮動小國旗，操作實驗等動作的機會；并可以讓登月機器人宇航員與參觀人員對話；可以讓登月機器人宇航員當講解月球科普知識的講師。

3）建議舉行一次全國的小朋友、中小學生科普課，讓登月機器人宇航員實時講解月球科普知識；一起唱國歌；一起做體操；一起唱國歌時，由登月機器人宇航員擔任旗手緩慢逐漸舉起中國人民共和國國旗?；蛘呖梢凿浿埔粡堊尩窃聶C器人宇航員講解月球科普知識，且演示操作單擺實驗的錄像片，在高中物理課里播放。也即讓人形機器人當物理老師給高中生上一節(jié)物理課。開啟人形機器人使用新時代。

4）授權產家生產，銷售機器人零部件，套件，或整個人形機器人。地面版本可比月球版本更簡單。價格不高，易學習。可組裝，可編程。激發(fā)學習，創(chuàng)作，創(chuàng)新熱情?？膳浜铣鼋滩?。也可制作人形機器人穿或未穿航天服的時候一樣的外觀的可愛的布娃娃，或塑料玩具。達到普及科學知識，傳播科技創(chuàng)新精神效果。

5）生產，銷售地面版本的人形機器人的零部件，套件，或整件，銷售具有登月機器人宇航員外觀的布娃娃，塑料玩具，可以形成一個機器人零部件加工，布娃娃制作，塑料玩具制作的產業(yè)鏈，具有可觀的經濟效益。在各類大學生，中小學生的實驗室，機器人愛好班可以買機器人的零部件，套件，自己學習組裝，并編程。據說中國未入大學的孩子有上億人，可愛的人形機器人，布娃娃，塑料玩具具有巨大的市場潛力。而且以后可以像手機一樣普及，人手一個或每個家庭一個?？梢赃_到巨大的經濟規(guī)模。兼具科普意義和經濟意義。

6）把漂亮的圖片載入科普課本。開設專題網站進行宣傳。也可在網上提供虛擬仿真體驗。達到科普目的。

7）可做到公開人形機器人的一些API接口給高校學生，有關研究人員，甚至中小學生。提供驗證不同的遙控操作技術，機器人控制技術，動作規(guī)劃技術等的平臺。具有無限的可能性。起到很大的科普作用。

8）把文化與科技聯系起來。建議把登月機器人宇航員命名為“后羿1號”。后羿是古代傳說里勇敢的，令人愛戴和尊敬的，為人民造福的英雄。古代傳說里后羿不能登月，只能遠望著月亮，遙遙無期地期待著和嫦娥相聚?，F在“后羿”“嫦娥”“玉兔”能夠在月球上團聚，象征著現代的中國科技逐漸興旺發(fā)達。當然也可在全國征集名字，此本身也是科普活動。

9）寫入物理課本當參考。單擺是中學重要的物理模型。在月球的地面上測量月球背面的精確的重力加速度的單擺實驗，可以讓高中生，大學生參與進來?？梢园褱y量方法和測量結果當成科普知識寫入物理課本當參考。不但可得到有實際意義的科學數據，也可增加學生的學習科技興趣，培養(yǎng)學生創(chuàng)造性思維和發(fā)散性思維。具有極佳的科普作用。endprint

10）期待申請吉尼斯紀錄。比如：在距地球最遠的距離上和地球上的人對話的機器人；第一次到月球上的類人形的可愛的機器人；第一次在地球外星球上舉起一個國家國旗的機器人；第一次在地球外星球上向地球上全世界人民問好的機器人；第一次在地球外星球上操作實驗的機器人。

11）向國家有關部門申請啟用一登月機器人宇航員，機器人宇航員一新漢語名詞。申請其英語譯文。然后在維基百科，百度百科等里面創(chuàng)建登月機器人宇航員，機器人宇航員詞條。

12）通過登月機器人宇航員在月球上揮動小國旗，唱國歌等等進行愛國教育。增強民族自豪感。兼具科普意義和愛國主義教育意義。

5.2科學意義

1）模擬載人登月地球月球間音頻傳輸，獲取關于音頻的采集，壓縮，處理，傳輸等技術。獲取的技術是我國下一步載人登月時一定要用到的基本的，又關鍵的技術。

2）模擬載人登月地球月球間視頻傳輸，獲取關于視頻的采集，壓縮，處理，傳輸等技術。獲取的技術是我國下一步載人登月時一定要用到的基本的，又關鍵的技術。

3）使我國獲取以下一系列技術，并增加經驗。機器人的遙控技術，控制技術，基本服務技術，監(jiān)視技術，動作規(guī)劃技術，軟件地面可更新技術，講話與身體動作的協調配合技術，國產CPU和自主嵌入式操作系統在航天探測機器人上的應用技術，航天服的熱防護技術，機器人與無生命支持系統宇航服的協調匹配使用技術。

4）人類首次在月面上精確測量月球背面的重力加速度。利用衛(wèi)星可以在幾十公里的上空上測量月球的重力場，但未必把比直接在月面上測量直接精確。得到的測量結果有望發(fā)表在《Nature》《Science》等權威論文雜志上。促進科技進步。

5）在“科技創(chuàng)新2030——重大項目”里把大力發(fā)展機器人裝備作為一項重大創(chuàng)新發(fā)展工程。人形機器人里用國產龍芯CPU，國產嵌入式操作系統，國產馬達，有助于我國制造業(yè)轉型升級，創(chuàng)新發(fā)展，符合航天高技術帶動產業(yè)技術發(fā)展的航天強國戰(zhàn)略，符合創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略，《中國制造2025》制造強國戰(zhàn)略。

6）驗證后得到的技術拓展性強，能很好地銜接下一步的研究和探測的技術。有技術的連續(xù)性和繼承性。為下一步研究更加復雜，更加智能的機器人宇航員打下堅實的基礎。驗證的關于音頻處理，視頻處理技術是我國下一步載人登月時一定要用到的基本的，又關鍵的技術。

7）驗證的機器人的遙控技術，控制技術，基本服務技術，監(jiān)視技術，動作規(guī)劃技術，軟件地面可更新技術，講話與身體動作的協調配合技術，國產CPU和自主嵌入式操作系統在航天探測機器人上的應用技術，航天服的熱防護技術，機器人與無生命系統宇航服的協調匹配使用技術，為我國下一步利用機器人進行月球探測，月球基地建設，火星探測等等打下堅實的技術基礎。

下一步的研究建議：（1）研究開發(fā)：機器人宇航員（人形機器人）；可駕駛月球車；地面遙控系統，數據手套，多靈巧手；耐極溫，耐輻射，耐沖撞的無生命系統的機器人宇航員用航天服；模擬仿真軟件。（2）驗證技術：機器人宇航員（人形機器人）在月面上的工具操作和步行技術；可駕駛的月球車的技術；人形機器人駕駛月球車的技術；從地球遙控人形機器人進行工作操作，進行駕駛月球車的技術；人形機器人，月球車的電腦模擬仿真技術。

8）人形機器人在航天探測等領域有以下意義。本次驗證后得到的技術走出了開端，打下了基礎。有與人的相似性，工具可通用，工作環(huán)境可通用，無需專門為人形機器人打造工具，工作環(huán)境；無需氧氣，水等生命支持系統，又能完成人類所能進行的眾多任務；短期有人照料和長期有人照料的月球基地上尤其重要；加上呼吸等生理系統，可以模擬人，在人類進入月球基地，登上火星前，進行技術驗證；可推廣應用于空間站，空天飛機、戰(zhàn)斗機、深海潛水器、人類日常生活等等。

6結論

筆者提出了一種身高40cm以下，具有18個自由度的，3kg以下的可愛的小型人形機器人，穿上無生命保障系統的簡易航天服，進行動作演示和技術驗證的方案。并具體提出了演示目標，要驗證的技術，探測方案，也具體分析了科普意義，科學意義。該方案也可認為是利用人形機器人宇航員替代真人宇航員進行一些載人登月預演，加上驗證人形機器人本身的技術。另外還探測重力加速度。該方案有目標創(chuàng)新性、技術繼承性、工程可實現性，兼具科普意義、科學意義、愛國主義教育意義和經濟意義，各項意義重大。endprint