韓亮亮，陳 萌，張崇峰，張玉花

（1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201108；2.上海航天技術(shù)研究院，上海201109）

1 引言

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(shù)條件。有人參與的深空探測任務(wù)發(fā)展原則遵循“以有人參與為目的，先期開展多項無人深空探測任務(wù)，將無人與有人深空探測任務(wù)融合發(fā)展，逐步突破核心關(guān)鍵技術(shù)，帶動科學(xué)技術(shù)的跨越式發(fā)展”［1］。

作為一種典型的空間機器人，月面服務(wù)機器人將在月面作業(yè)、月面資源開發(fā)利用、科學(xué)實驗及建造維修等任務(wù)中發(fā)揮重要作用。在已立項的月球探測工程與未來載人登月工程之間的空檔期，開展持續(xù)、高效的月面機器人探測，可完成更廣泛區(qū)域的月球科學(xué)探測任務(wù)，并為載人登月提供科學(xué)與工程數(shù)據(jù)和先期基礎(chǔ)設(shè)施。另一方面，在未來的載人登月任務(wù)中，月面服務(wù)機器人可作為航天員的助手，以人機交互、協(xié)作、耦合的方式與航天員組成有機的月面活動系統(tǒng)，結(jié)合人的主觀性、智能性及機器人極端環(huán)境長時間作業(yè)的優(yōu)點完成更復(fù)雜的月面作業(yè)。

本文綜述國內(nèi)外月面機器人的研究進展，分析月面活動對機器人的需求，并提出月面服務(wù)機器人的發(fā)展方向和設(shè)想。

2 月面機器人研究進展

早期的月面機器人通常被簡稱為月球車，如美國、前蘇聯(lián)的月球車［2］及我國的嫦娥三號巡視器“玉兔” 號［3?4］，以及火星巡視器如“索杰娜”、“勇氣”號、“機遇”號及“好奇”等號［5］，其典型特征一般為六輪或八輪的輪式行駛機構(gòu)及搖臂懸架系統(tǒng)，在直觀上表征為“車”的特征。隨著機器人技術(shù)的發(fā)展和進步，各種新型的星表機器人形式也可考慮用于月球的探測。

1）NASA的Robonaut及Centaur機器人

早在上世紀90年代，美國就開展了機器人航天員Robonaut的研制。2011年NASA與通用公司GM聯(lián)合研制的第二代機器人航天員（Robo?naut2）進入國際空間站［6?7］，如圖 1（a）所示。 機器人航天員Robonaut具有如下特點：在形體上具有頭部、頸部、軀干、雙臂、多指靈巧手等人類的特征，R2全身共42個自由度，其中包括3自由度頸部、2個7自由度的手臂、2個12自由度的五指靈巧手以及1自由度腰部，因此可達到類似人的工作能力；五指靈巧手的比例與航天員相當，可直接使用航天員的工具，5個手指共12個自由度，運動靈活，可輔助航天員完成部分空間操作任務(wù)；集成了視覺相機、紅外相機、六維腕力傳感器、接觸力傳感器、角度及位移傳感器等約多達350個傳感器［6?7］。

NASA為Robonaut增加了移動系統(tǒng)，組成了一種半人馬式結(jié)構(gòu)（Centaur），如圖1（b）所示，可適應(yīng)月球、火星的巡視探測需要［8?9］；其移動系統(tǒng)為輪腿式構(gòu)型，在傳統(tǒng)輪式移動機構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了腿式機構(gòu)，可適應(yīng)具有挑戰(zhàn)性的地形，并可在斜坡或陡峭的地形上保持上半身操作部分的姿態(tài)；每個輪子獨立驅(qū)動，可原地轉(zhuǎn)向及多方向平動；同時可通過輪腿機構(gòu)的變構(gòu)型為載荷作業(yè)或機器人操作提供穩(wěn)定的操作平臺。此外，NASA也提出了為Robonaut增加二條腿式形成一個完整的人形機器人開展月面探測的設(shè)想，如圖1（c）所示。在控制方面，Centaur繼承了Robonaut的可穿戴人機交互界面FITT；此外配置了類似于腳踏板的交互設(shè)備駕駛控制機器人的方向和加速；通過上述交互設(shè)備的配置可使一個遙操作人員協(xié)調(diào)控制機器人的上半身和移動基座的協(xié)調(diào)運動。

圖1 Robonaut的多種構(gòu)型形式［7?9］Fig.1 Different configurations of Robonaut［7?9］

Centaur機器人的主要特點為輪腿式的移動機構(gòu)與仿人操作機構(gòu)的融合配置，一方面可滿足復(fù)雜地形的通過性要求，另一方面具有類人的工作和可達空間，可實現(xiàn)精細、靈活的服務(wù)操作。

2）NASA全地形六足地外探測器（ATH?LETE）

NASA考慮在未來月球任務(wù)中使用可移動的月球基地，全地形六足地外探測器 ATHLETE（All?Terrain Hex?Limbed， Extra?Terrestrial Explor?er）在其中發(fā)揮著重要作用，ATHLETE由噴氣推進實驗室（JPL）研發(fā)，其被設(shè)想在月面運送大質(zhì)量的載人月球居留艙，共研制了兩代樣機SDM和T12［10?12］，如圖 2 所示。 ATHLETE SDM 的六邊形底盤跨度2.75 m，每邊配置6自由度、最大展開長度2.08 m的機械腿，機械腿的末端為直徑0.71 m的車輪，車輪的一側(cè)配置為可快速連接不同作業(yè)工具的接口，因此每個機械腿也可作為機械臂進行通用化的操作作業(yè)。第二代的ATH?LETE T12由兩個三足的 Tri?ATHLETE T1和 T2對接組合而成，T12的腿約4 m長，每個腿為7自由度。

圖2 全地形六足地外探測器（ATHLETE）［10］Fig.2 Prototype of ATHLETE［10］

ATHLETE具有移動作業(yè)一體化的特點，移動機構(gòu)和操作機構(gòu)的復(fù)用可減少對探測器質(zhì)量、功耗等資源的需求，對于實現(xiàn)機器人的輕量化有重要的意義。

3）噴氣推進實驗室（JPL）的樣品返回探測器（SSR）

NASA噴氣推進實驗室的樣品返回探測器（Sample Return Rover，SRR）［13?15］如圖 3 所示，質(zhì)量約7 kg，最高運動速度為30～50 cm／s，具有四個可獨立驅(qū)動和轉(zhuǎn)向的驅(qū)動輪系及主動控制的肩關(guān)節(jié)車輪通過平行四邊形連桿機構(gòu)連接車體的懸掛系統(tǒng)。通過肩關(guān)節(jié)的主動控制可以適應(yīng)地形變化，也可主動調(diào)節(jié)車體高度，從而增加車底的凈空避免接觸障礙或降低車體高度以增強穩(wěn)定性；也可通過肩關(guān)節(jié)主動調(diào)節(jié)改變機器人質(zhì)心位置以適應(yīng)崎嶇不平的險惡地形環(huán)境，從而提高機器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性和適應(yīng)性［4］。SRR的前端配置了質(zhì)量5 kg、負載3 kg、位置精度3 mm的4自由度機械臂。機械臂末端配置了工具塔，可使機械臂使用多種科學(xué)載荷設(shè)備，同時工具塔也配備了連接機構(gòu)，可連接存放于機器人本體的多種末端采樣工具。

圖3 噴氣推進實驗室的樣品返回探測器［14］Fig.3 Prototype of SRR of JPL［14］

SSR的典型特征為可主動變結(jié)構(gòu)的懸架系統(tǒng)，此類配置可有效提高機器人對地形的主動適應(yīng)性、發(fā)射狀態(tài)的收攏比、移動作業(yè)的穩(wěn)定性。

4）歐空局（ESA）的可重構(gòu)月面探測車

ESA的月面探測車，利用6個液壓驅(qū)動輪的構(gòu)型變化，可自重構(gòu)為三種不同形態(tài)：普通輪式滾動形態(tài)，多足爬行形態(tài)，和機械臂工作形態(tài)。以適應(yīng)不同的月面地形和探測采集需求，如圖4所示。實現(xiàn)了一機多用，該機器人具有高度的自主性和環(huán)境適應(yīng)性。

圖4 歐空局的可重構(gòu)月面探測車Fig.4 Reconfigurable lunar rover of ESA

5）德國模塊化可重構(gòu)多機器人月面探測系統(tǒng)

德宇航提出了模塊化可重構(gòu)多機器人月面探測系統(tǒng)（Reconfigurable Integrated Multi?Robot Ex?ploration System， RIMRES）的概念［16?17］，如圖 5 所示。在此計劃下，德國人工智能研究中心DFKI研發(fā)了新型探月機器人，包括四輪機器人Sherpa和六足機器人CREX。兩個機器人可完全獨立地工作，也可通過機電接口重構(gòu)成一個系統(tǒng)開展組合工作。

圖5 德國的可重構(gòu)綜合勘探多機器人系統(tǒng)［16?17］Fig.5 RIMRESof DFKI［16?17］

Sherpa機器人系統(tǒng)采用混合輪腿結(jié)構(gòu)，自重約200 kg，可負載質(zhì)量約60 kg，腿部搖擺機構(gòu)具有4個自由度，平行四邊形機構(gòu)也可提供一個被動自由度，主動懸架系統(tǒng)不僅可實現(xiàn)在適度結(jié)構(gòu)化地形的相對節(jié)能運動，還可通過懸架機構(gòu)的主動調(diào)整實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的重構(gòu)變化，從而增加機器人在崎嶇路面的通過性。Sherpa的機械臂展開長度約1.7 m，用于載荷操作、巡視檢查、質(zhì)心平衡，也可將機械臂作為一個輔助的腿部使用。

CREX是蜘蛛式六足爬行機器人，利用多足和多冗余度實現(xiàn)在月球隕石坑惡劣等未知環(huán)境的探測工作。CREX的由DFKI開發(fā)的六足機器人SpaceClimber［18］發(fā)展而來，其質(zhì)量為 25 kg，單腿 4個主動自由度，整機共26個自由度（頭部、軀干各一個主動自由度），頭部集成了視覺相機及激光雷達。

6）德國仿黑猩猩機器人（iStruct Demonstrator）

德國人工智能研究中心（DFKI）在 iStruct Demonstrator計劃中以黑猩猩為雛形設(shè)計了一種月球探測機器人。仿黑猩猩的設(shè)計能充分借鑒猩猩攀爬作業(yè)的四肢穩(wěn)定性及在各種地形移動的優(yōu)勢。仿猩猩機器人最典型的特性是其可根據(jù)不同地形選擇不同的行走模式，平坦地形可以雙足方式行走，復(fù)雜地形可切換為四足爬行模式，如圖6所示。在雙足直立模式，兩個前臂也可以開展樣品采集等作業(yè)任務(wù)［19?21］。

圖6 機器猩猩的多種運動方式［19?20］Fig.6 Multi movement modes of ape?like robot［19?20］

猩猩并不是唯一被模仿飛上太空的動物，DFKI同時還在制定仿螳螂［22］和蝎子機器人的登月計劃，如圖7所示。該類機器人的共同特點就是機器人既可靠四肢站穩(wěn)、行走，又能用前面兩條腿來操縱物體。

7）美國賓夕法尼亞大學(xué)六足彈跳機器人

圖7 德國仿螳螂月面機器人［22］Fig.7 MANTIS of DFKI［22］

可在多障礙環(huán)境下靈活移動的彈跳機器人是月面機器人可考慮的形式之一。美國賓夕法尼亞大學(xué)研制了一種六足彈跳機器人 X?RHex［23?24］。其最新版本 X?RHex Lite重 6.7 kg，站立高度約20 cm，長為51 cm，體積小、重量輕，可由單人攜帶；其具有六條腿，每條腿為半圓形且具有一定的彈性，外層還具有防滑的凹凸橡膠，如圖8所示。該機器人具備雙足跳躍、四足跳躍、六足跳躍等運動模式，可以連續(xù)跳躍，通過不同的跳躍模式可實現(xiàn)在不同地形的移動，如跳躍凹陷、跨越障礙等。

圖8 六足彈跳機器人 X?RHex Lite 彈跳實驗［23?24］Fig.8 The jumping test of X?RHex Lite［23?24］

8）美國變拓撲翻滾探測機器人

NASA以火星探測為背景，從2008年開始，開展了變拓撲結(jié)構(gòu)的多面體翻滾機器人TET的研究。變拓撲翻滾機器人是一種變幾何桁架機構(gòu)，其基本原理為通過各桿件的伸縮實現(xiàn)機器人重心的偏移，當重心超越其穩(wěn)定區(qū)域后，機器人失穩(wěn)從而發(fā)生翻滾運動；機器人也可通過桿件的協(xié)調(diào)伸縮實現(xiàn)對障礙物的翻越或在溶洞、狹縫等地形的爬行。目前已研制了三代原理樣機，實現(xiàn)了1 重、4 重、12 重四面形樣機的研制和試驗［25?27］，如圖9所示。

圖9 12重四面體翻滾機器人［27］Fig.9 Prototype of 12?TET［27］

3 月面活動作業(yè)對機器人的需求

結(jié)合無人月球探測及有人月球探測的任務(wù)需求，為了提升月面智能操作能力、降低航天員月面作業(yè)風(fēng)險、減輕航天員作業(yè)負擔(dān)，月面機器人的主要功能需求如下：

1）航天員月面輔助：輔助航天員進行一定范圍內(nèi)高效率的行走、移動，輔助或協(xié)同航天員完成復(fù)雜月面作業(yè)任務(wù)；

2）高效移動能力：具備對月海、高地、山脈、撞擊坑、溶洞等典型月面形貌的移動通過能力；

3）儀器投放安裝能力：自主或輔助航天員完成載荷設(shè)備的投放或安裝，如月面激光反射器、無線電信標和熱流探針等安裝、調(diào)試；

4）潛在水冰資源原位探測：自主或輔助航天員開展水冰資源原位探測，如利用激光加熱?光譜儀分析月球極區(qū)的水冰資源；

5）月壤水冰混合物鉆取?封裝?儲存：實現(xiàn)輕量化、一體化的低污染水冰鉆取?封裝及儲存；

6）月巖、隕石樣本識別與采集：通過先進的視覺識別及精細操控技術(shù)實現(xiàn)高價值月面樣本的獲??；

7）月面資源的探測和開采：對月球資源進行開采試驗、原位資源利用與存儲技術(shù)試驗，為建立長期運行的無人月球科研站、月球基地的建設(shè)進行前期準備；

8）模塊化搭載功能：開展通用化、標準化接口設(shè)計，實現(xiàn)對生物學(xué)試驗載荷、原位制氧載荷、近月磁場、電場探測儀、微型機器人等多種不同類型載荷的搭載；

9）月面人機聯(lián)合作業(yè)：機器人與航天員聯(lián)合作業(yè)，結(jié)合航天員、機器人間的互補特性，以最優(yōu)化模式協(xié)同作用獲取最佳探測作業(yè)效果［28］。

根據(jù)月面機器人的功能需求，經(jīng)過梳理形成月球機器人的配置需求，如圖10所示。其中巡視機器人主要用于月面常規(guī)及極端地形條件下月面環(huán)境的巡視勘察，此外還具備航天員搭載和運送的能力，輔助航天員開展月面的高效移動。服務(wù)機器人主要用于各項科學(xué)探測和工程建設(shè)工作，其功能根據(jù)任務(wù)要求進行配置，如月面組裝維修、月面基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等，主要特點是負載能力強、操作靈活精細等。

根據(jù)上述功能和機器人配置需求，對于月面機器人的主要配置思路，可考慮配置多種不同類型、功能相對獨立的機器人，組成一個機器人群，多機器人可相互協(xié)作；也可考慮根據(jù)探測作業(yè)地形或典型任務(wù)，配置有限規(guī)格、多功能集成的機器人。

4 月面服務(wù)機器人的發(fā)展方向及設(shè)想

1）由傳統(tǒng)的輪式星球車向輪腿式機器人發(fā)展

目前成功在地外星表運行的機器人均采用輪式移動機構(gòu)，輪式移動機構(gòu)具有運動速度快、傳動效率高、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等特點；但輪式移動系統(tǒng)對崎嶇地面適應(yīng)能力稍差，越野和越障能力稍差。

腿式移動機構(gòu)一般采用仿生學(xué)原理，主要模擬哺乳動物、昆蟲等生物的行動方式，可以實現(xiàn)很好的越障和避障能力，有的可以實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，而且不會打滑；但腿式機器人的缺點也很明顯：零部件多，系統(tǒng)復(fù)雜，驅(qū)動、控制系統(tǒng)的設(shè)計難度增加，機械可靠性下降，承載能力有限，行走速度較慢，功耗比較大。

作為輪式機構(gòu)和腿式機構(gòu)的折中方案，輪腿式移動方案融合了腿式的地形適應(yīng)能力和輪式的高速高效性能，同時具有優(yōu)越的越障、避障以及地形適應(yīng)等能力，對復(fù)雜星球表面環(huán)境適應(yīng)性強。雖然輪腿式移動機構(gòu)也具有組成復(fù)雜、控制難度大、可靠性降低等缺點，但由于其優(yōu)越的移動性能，一直是研究人員關(guān)注的熱點。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，輪腿式移動方案符合未來深空巡視探測質(zhì)量低、效率高、極限地形通過性好的要求。

2）由傳統(tǒng)輪式星球車向多形態(tài)仿生機器人發(fā)展

圖10 月面機器人功能及配置需求Fig.10 The function and configuration requirements for lunar robot

對于月面極端地形的探測，除了輪式、腿式及輪腿式機器人，國內(nèi)外研究學(xué)者基于仿生學(xué)的啟示提出了多種形態(tài)的機器人，如仿人、仿猩猩、仿昆蟲、蛇形、球形、跳躍式、蠕動式機器人等。此類機器人突破了傳統(tǒng)的“車”的概念，特別適應(yīng)復(fù)雜極端的地形環(huán)境，能夠穿越山洞、攀爬巖石、鉆入月表，高效地開展惡劣地形勘察、精細操作、鉆探取樣等探測工作，使任務(wù)更加靈活、豐富。

仿人或仿猩猩機器人具有行走作業(yè)一體化的特點，在構(gòu)型與外形上與人相似，通過配備靈巧手和操作工具可具備類人的操作能力；移動模式不局限于雙足步行，可類擬于猩猩、猿猴等靈長類動物四足爬行，可針對不同的地形改變其行走模式。且仿人具有類人的工作能力和可達空間，可為后續(xù)航天員登月開展關(guān)鍵技術(shù)驗證，如航天員月面行走、操作等行為模擬等。

小型四足或六足的機器人可考慮用于含有巖石、泥土、沙子甚至峭壁和陡坡等障礙物的崎嶇地形的巡視探測。蛇形機器人可考慮用于月面狹縫、裂縫、溶洞、月坑等特殊地形的巡視探測。此外，一些基于滾動移動思想的球形或多面體機器人也可考慮用于一種針對性環(huán)境的巡視探測。

3）由固定構(gòu)形向可重構(gòu)變拓撲機器人發(fā)展

月面著陸器限于有限的載荷搭載能力，不能將大量構(gòu)型固定的機器人運送到月面；針對在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境作業(yè)的需求，為滿足月面多屬性任務(wù)的執(zhí)行，也需要多形態(tài)多功能機器人?？芍貥?gòu)機器人為解決此類問題提供了一種思路，可重構(gòu)機器人可基于指定的任務(wù)快速重構(gòu)成具有適應(yīng)任務(wù)的拓撲構(gòu)型，并附之以可重構(gòu)的控制算法和規(guī)劃策略?？芍貥?gòu)變拓撲機器人在廣義上可包涵機器人整體構(gòu)型或局部構(gòu)型的重構(gòu)和變形。

對于整體構(gòu)型可重構(gòu)的月面機器人，可考慮多個模塊化的小型機器人獨立包裝和著陸，可降低對發(fā)射包絡(luò)的需求和上升段過載能力的要求。小型機器人獨立模式工作時，可相對獨立地開展特定分工的任務(wù)，也可相互通信協(xié)同工作。小型機器人組可根據(jù)任務(wù)需要，雙機器人或多機器人自由組合，以適應(yīng)不同環(huán)境和任務(wù)的需求。

對于局部構(gòu)型可重構(gòu)的月面機器人，通過自身局部部件的變形以實現(xiàn)對環(huán)境的適應(yīng)或功能部件的復(fù)用。如車輪的功能復(fù)用，通過輪子的變形實現(xiàn)機器人車輪的輪式滾動、足式爬行移動和機械臂式操作等多種形態(tài)；如懸掛機構(gòu)的變構(gòu)型，利用鉸鏈懸掛機構(gòu)的改變，達到適應(yīng)崎嶇不平的險惡地形環(huán)境的目的，或者達到減小壓緊收攏包絡(luò)的目的。

4）由單一機器人探測向多機器人聯(lián)合探測發(fā)展

月球機器人將從單機器人工作逐步向多機器人系統(tǒng)協(xié)調(diào)作業(yè)發(fā)展，多個機器人組成的群體機器人系統(tǒng)間協(xié)調(diào)協(xié)作，其能力遠遠大于單機器人能力的簡單疊加，而且群體中單個機器人結(jié)構(gòu)進一步簡單、體積變小、任務(wù)專門化，可大大提高機器人工作的可靠性，增加作業(yè)的靈活性，從而提高探測效率，甚至完成單個機器人無法實現(xiàn)的技術(shù)任務(wù)。機器人團隊協(xié)作可取長補短，協(xié)同作業(yè)實現(xiàn)“1＋1＞2”的效果。

對于多機器人的構(gòu)成模式，可采用主／從或平級的模式。主／從模式一般指子母機器人的形式，主機器人將承擔(dān)巡視作業(yè)的大部分任務(wù)，從機器人主要用于特定的任務(wù)和操作，主從模式一定程度將降低從機器人的實現(xiàn)難度和資源消耗。

對于多機器人的構(gòu)成形態(tài)，可采用同構(gòu)式或異構(gòu)式的形態(tài)。同構(gòu)式機器人團隊由多種構(gòu)型相似的機器人組成，便于多機器人重構(gòu)和組合使用。異構(gòu)式機器人團隊由多種創(chuàng)新形態(tài)的機器人組成，是一種適合多環(huán)境、多任務(wù)的探測系統(tǒng)。

5）向與航天員高效聯(lián)合作業(yè)的高安全、高可靠協(xié)作型機器人方向發(fā)展

在未來的載人月球探測活動中，航天員需要與機器人在同一現(xiàn)場工作，且航天員與機器人有交互、聯(lián)合作業(yè)的需求，因此機器人與航天員的共融將是未來月面作業(yè)機器人的重要特征之一。

協(xié)作型月面機器人首先需保證航天員的安全，機器人應(yīng)具備高本質(zhì)安全性，即機器人的機構(gòu)和本體需具備足夠的柔性，在與航天員接觸作業(yè)時不會對航天員帶來安全隱患。協(xié)作型月面機器人對航天員行為的感知和理解技術(shù)需進一步提升，從而為與航天員的協(xié)同提供依據(jù)。協(xié)作型月面機器人也需配置多模態(tài)的人機交互手段，方便航天員自然、直觀地對機器人進行交互控制。對航天員而言，月面機器人將不再是單純的月面作業(yè)工具，而是與航天員并肩協(xié)同的助手。

5 結(jié)論

在無人月球探測及有人月球探測的任務(wù)中，具有復(fù)雜地形適應(yīng)能力及靈巧操作能力的月面服務(wù)機器人有巨大的應(yīng)用潛力。在目前相對成熟輪式月球車的基礎(chǔ)上，發(fā)展具有仿生、輪腿式、可重構(gòu)、多機協(xié)同、人機協(xié)作等特點的新概念月球服務(wù)機器人，一方面可有效提高機器人對極端月面環(huán)境和復(fù)雜操作任務(wù)的適應(yīng)能力，另一方面可大力推動和牽引月面機器人的原始技術(shù)創(chuàng)新。目前新型月面服務(wù)機器人的研究多數(shù)在概念及原理樣機階段，為實現(xiàn)工程應(yīng)用，還需解決多自由度機構(gòu)協(xié)調(diào)控制、月面環(huán)境適應(yīng)性、能源與通信、多機協(xié)調(diào)等關(guān)鍵技術(shù)。

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