張?jiān)獎(jiǎng)祝S靖，韓亮亮

1. 重慶大學(xué) 航空航天學(xué)院，重慶 400044 2. 重慶大學(xué) 教育部深空探測(cè)聯(lián)合研究中心，重慶 400044 3. 上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109

宇宙的形成、地球的起源、生命的進(jìn)化以及外星生命等科學(xué)問(wèn)題，必須通過(guò)深空探測(cè)才能獲得答案。深空探測(cè)也將是21世紀(jì)人類進(jìn)行空間資源開(kāi)發(fā)與利用、空間科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新的重要途徑?？臻g機(jī)器人能夠在空間環(huán)境中生存并執(zhí)行探索、裝配、維護(hù)和服務(wù)等任務(wù)，在當(dāng)前和未來(lái)的空間探測(cè)任務(wù)中發(fā)揮著重要作用?？臻g機(jī)器人的主要功能可分為兩類：空間探測(cè)和星球表面探測(cè)。空間探測(cè)操作包括在軌裝配、在軌檢查、在軌維護(hù)、在軌科學(xué)實(shí)驗(yàn)操作等。星球表面探測(cè)操作包括表面巡視、科學(xué)規(guī)劃和感知、儀器部署和采樣操作等[1-4]。

自20世紀(jì)60年代以來(lái)，國(guó)外已研制了許多星表移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人。星表移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人的發(fā)展可分成以下幾個(gè)特殊階段[5]：

1) 20世紀(jì)60年代，美國(guó)與前蘇聯(lián)分別開(kāi)發(fā)了載人與無(wú)人的月球探測(cè)器。

2) 20世紀(jì)80年代，NASA計(jì)劃為完成火星取樣返回任務(wù)建造大型探測(cè)器，但最終放棄了該計(jì)劃。

3) 20世紀(jì)90年代，陸續(xù)實(shí)施了小型的月球探測(cè)器和火星探測(cè)器的探測(cè)任務(wù)。

中國(guó)對(duì)星表移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)末，目前已成功實(shí)施了2次月球環(huán)繞探測(cè)和2次月球著陸、巡視探測(cè)，并于2020年底實(shí)施月球采樣返回探測(cè)任務(wù)。在火星探測(cè)方面，2011年，中國(guó)自主研制了第1顆火星探測(cè)器“螢火一號(hào)”，由于其搭載的主探測(cè)器俄羅斯“土壤”號(hào)變軌失敗，使得中國(guó)的第1次火星探測(cè)任務(wù)夭折。2020年7月份，中國(guó)將自主實(shí)施第2次火星探測(cè)任務(wù)“天問(wèn)一號(hào)”，一步實(shí)現(xiàn)對(duì)火星的環(huán)繞、著陸、巡視探測(cè)任務(wù)。

本文對(duì)美國(guó)、蘇聯(lián)/俄羅斯、中國(guó)等國(guó)家已發(fā)射的月球及火星探測(cè)機(jī)器人進(jìn)行了梳理，對(duì)各國(guó)或相關(guān)的組織機(jī)構(gòu)研制的星表移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人原理樣機(jī)的研究情況進(jìn)行了介紹及總結(jié)，并梳理了未來(lái)星表移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)，以期為中國(guó)的星表移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人的發(fā)展提供參考。

1 星球探測(cè)機(jī)器人在軌試驗(yàn)現(xiàn)狀

1.1 月球探測(cè)

月球是地球唯一的天然衛(wèi)星，是人類探索地球以外的必經(jīng)之路[6]。縱觀全球各國(guó)的月球探測(cè)，美國(guó)和前蘇聯(lián)在冷戰(zhàn)時(shí)投入最大，取得的成果也最多。目前，只有美國(guó)成功進(jìn)行了6次載人月球探測(cè)，其余各國(guó)對(duì)月球的探測(cè)均為無(wú)人探測(cè)。截至2020年2月底，全世界共實(shí)施了116次無(wú)人月球探測(cè)任務(wù)[7]，實(shí)現(xiàn)了月球飛越、環(huán)繞、著陸、巡視和采樣返回探測(cè)，如表1所示。通過(guò)分析可知，無(wú)人月球探測(cè)平均成功率為49%。

月球探測(cè)機(jī)器人是適用于在復(fù)雜非結(jié)構(gòu)化月面環(huán)境中執(zhí)行探測(cè)任務(wù)的機(jī)器人，它是目前人類對(duì)月球進(jìn)行近距離探測(cè)最直接有效的工具[8]。在月球探測(cè)機(jī)器人領(lǐng)域，美國(guó)、前蘇聯(lián)及中國(guó)均取得了一定的研究成果，圖1所示為成功在軌運(yùn)行的月球探測(cè)機(jī)器人[9]。美國(guó)宇航員搭乘阿波羅載人月球車成功對(duì)月球進(jìn)行了探測(cè)。前蘇聯(lián)的無(wú)人月球車Lunokhod1和Lunokhod2先后成功對(duì)月球進(jìn)行了探測(cè)，其中，Lunokhod2月球車以39 km的總里程成為月球無(wú)人探測(cè)最遠(yuǎn)行駛距離的月球車。中國(guó)通過(guò)實(shí)施嫦娥工程對(duì)月球的探測(cè)也取得了前所未有的成功，“玉兔二號(hào)”不僅是人類首個(gè)在月球背面執(zhí)行任務(wù)的月球探測(cè)機(jī)器人，而且也是人類在月面工作時(shí)間最長(zhǎng)的月球車。截至2020年4月30日，“玉兔二號(hào)”已經(jīng)在月球上度過(guò)了17個(gè)月晝(483天)，累計(jì)行駛447.68 m，目前確認(rèn)各設(shè)備狀態(tài)良好，工作正常。

表1 全球無(wú)人月球探測(cè)任務(wù)分類統(tǒng)計(jì)

圖1 月球探測(cè)機(jī)器人[9]Fig.1 Lunar exploration robots[9]

“玉兔號(hào)”和“玉兔二號(hào)”屬于姊妹月面巡視探測(cè)機(jī)器人(統(tǒng)稱為玉兔巡視器)，鑒于“玉兔號(hào)”在其第二月晝工作時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題，“玉兔二號(hào)”在綜合電子和電纜部分進(jìn)行了加強(qiáng)，并在地面開(kāi)展了數(shù)千次的試驗(yàn)驗(yàn)證，使得“玉兔二號(hào)”成為目前世界上在軌工作時(shí)間最長(zhǎng)的月球探測(cè)器。玉兔巡視器主要由綜合電子分系統(tǒng)、移動(dòng)分系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)、導(dǎo)航分系統(tǒng)等組成。圖2所示為玉兔巡視器移動(dòng)分系統(tǒng)，由車輪、行進(jìn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、差動(dòng)機(jī)構(gòu)和左右搖臂等組成。由承載車體的差動(dòng)機(jī)構(gòu)連接左右主搖臂，將巡視器本體重力載荷傳遞到搖臂，再通過(guò)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和車輪，將載荷傳遞至月面。副搖臂可繞主搖臂上的鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)，左右主搖臂可繞差動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩側(cè)差動(dòng)，使6個(gè)車輪始終同時(shí)著地，被動(dòng)適應(yīng)月面復(fù)雜的地形地貌。移動(dòng)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)為6輪全驅(qū)動(dòng)，既可以提高巡視器在松軟月表的附著牽引力，又可以應(yīng)對(duì)個(gè)別車輪發(fā)生故障時(shí)能夠確保巡視器仍保持一定的移動(dòng)能力[10]。

圖2 玉兔巡視器移動(dòng)分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖[10]Fig.2 Schematic diagram of mobility system of Yutu[10]

1.2 火星探測(cè)

由于火星的自然條件與地球比較相似，從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，火星一直是人類深空探測(cè)的首選目標(biāo)星球之一。美國(guó)和前蘇聯(lián)先后發(fā)射了自己的火星探測(cè)機(jī)器人，但前蘇聯(lián)的火星探測(cè)機(jī)器人在著陸后很快就失去了聯(lián)系，只有美國(guó)發(fā)射的火星探測(cè)機(jī)器人成功著陸[11]。全世界共實(shí)施了45次火星探測(cè)任務(wù)，如表2所示，對(duì)火星的探測(cè)取得了一定的成就，包括發(fā)現(xiàn)了在火星上存在水的證據(jù)。通過(guò)分析可知，火星探測(cè)的平均成功率為47%，低于月球探測(cè)的平均成功率。其根本原因一方面是火星距離遠(yuǎn)，遙測(cè)遙控能力受限，導(dǎo)致探測(cè)器本身自主動(dòng)作復(fù)雜；另外一方面是火星有稀薄的大氣，對(duì)探測(cè)器的氣動(dòng)性能、耐熱性能、敏捷性能等都提出了更高的要求。

表2 全球無(wú)人火星探測(cè)任務(wù)分類統(tǒng)計(jì)

美國(guó)在火星探測(cè)機(jī)器人方面處于領(lǐng)先地位。如圖3所示，索杰納號(hào)、勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)以及好奇號(hào)相繼被送入火星表面，成功對(duì)火星進(jìn)行了探測(cè)[12]。其中，機(jī)遇號(hào)在火星上工作了15年，行駛里程超過(guò)45.16 km，是目前人類在地球以外天體上行駛距離最遠(yuǎn)的探測(cè)機(jī)器人。

圖3 火星探測(cè)機(jī)器人[12]Fig.3 Mars exploration robots[12]

好奇號(hào)作為迄今為止最龐大、最復(fù)雜、最先進(jìn)、最昂貴的火星探測(cè)器，其探測(cè)結(jié)果使人類對(duì)火星的認(rèn)識(shí)發(fā)生了革命性變化。好奇號(hào)為6輪布局，總質(zhì)量899 kg，有效載荷總重84 kg，由移動(dòng)分系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)、導(dǎo)航與控制分系統(tǒng)、綜合電子分系統(tǒng)、電源分系統(tǒng)、熱控分系統(tǒng)、測(cè)控?cái)?shù)傳分系統(tǒng)等組成，攜帶有11種有效載荷，開(kāi)展火星環(huán)境、生命等方面的探測(cè)任務(wù)，其組成如圖4所示[13-14]。

圖4 好奇號(hào)結(jié)構(gòu)組成[14]Fig.4 Structural composition[14] of Curiosity

好奇號(hào)在火星表面工作有5種模式：行進(jìn)模式、勘查模式、接近模式、接觸模式以及樣品采集與分析模式，這些工作模式直接決定導(dǎo)航與控制分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。好奇號(hào)導(dǎo)航與控制分系統(tǒng)由視覺(jué)導(dǎo)航子系統(tǒng)、組合導(dǎo)航子系統(tǒng)與路徑規(guī)劃子系統(tǒng)組成。視覺(jué)導(dǎo)航子系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成環(huán)境圖像獲取、立體匹配、三維地形重建等功能，它主要包括導(dǎo)航相機(jī)、避障相機(jī)及相應(yīng)圖像處理單元。組合導(dǎo)航子系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成火星車的定位定向與姿態(tài)獲取功能，主要包括慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和太陽(yáng)敏感器等；路徑規(guī)劃子系統(tǒng)在綜合上述兩個(gè)子系統(tǒng)信息后進(jìn)行處理，完成路徑規(guī)劃。好奇號(hào)的工作是以自主導(dǎo)航與控制為主、遙操作為輔。要完成自主導(dǎo)航與控制工作，好奇號(hào)要求具有清晰感知所處環(huán)境、發(fā)現(xiàn)障礙與危險(xiǎn)、了解自身位置與姿態(tài)、綜合分析規(guī)劃路徑等能力，這些功能分別是通過(guò)數(shù)字高程模型圖像構(gòu)建與障礙物檢測(cè)技術(shù)、火星表面三維場(chǎng)景拼接與重建技術(shù)、立體視覺(jué)匹配技術(shù)、火星車定位定姿技術(shù)、視覺(jué)里程技術(shù)、在軌自標(biāo)定技術(shù)及路徑規(guī)劃技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的[15-20]。

作為導(dǎo)航分系統(tǒng)的執(zhí)行分系統(tǒng)，好奇號(hào)移動(dòng)分系統(tǒng)的2個(gè)前輪和2個(gè)后輪分別帶有獨(dú)立的轉(zhuǎn)向電機(jī)，這使其能夠在原地進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)。好奇號(hào)沿用了以往索杰納號(hào)、機(jī)遇號(hào)和勇氣號(hào)火星車的搖臂-轉(zhuǎn)向架式結(jié)構(gòu)，在翻越多巖石的不平整表面時(shí)具有最大程度的穩(wěn)定性，能夠翻越約65～75 cm 高的障礙物，能越過(guò)直徑約為50 cm的坑，在平整堅(jiān)硬的地面上行駛的最高速度為4 cm/s，截至目前，總行駛里程約為22.1 km。

好奇號(hào)的移動(dòng)系統(tǒng)為6輪主副搖桿系統(tǒng)，使火星車能夠越過(guò)車輪大小的巖石或壕溝。除直線行駛外，火星車能夠?qū)崿F(xiàn)弧線轉(zhuǎn)彎和原地轉(zhuǎn)彎[21]，見(jiàn)圖5。另外，主副搖桿系統(tǒng)能夠承受車體傾斜60°、吸收著陸和行走過(guò)程的沖擊載荷。搖桿-轉(zhuǎn)向架機(jī)構(gòu)與差速器保證火星車在嚴(yán)重不平整路面移動(dòng)時(shí)，6個(gè)車輪與地面也接觸良好。這樣的設(shè)計(jì)有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：其一，每個(gè)車輪受力均勻，該性能對(duì)火星車在松軟土壤中行走至關(guān)重要，因?yàn)閴毫袝?huì)導(dǎo)致車輪沉陷；其二，火星車在越障時(shí)，保證總有車輪與地面接觸并提供驅(qū)動(dòng)力，從而增強(qiáng)其越障能力。

圖5 好奇號(hào)搖桿轉(zhuǎn)向架移動(dòng)系統(tǒng)[21]Fig.5 Rocker-bogie mobility system of Curiosity[21]

另外，值得一提的是好奇號(hào)電源分系統(tǒng)[22-23]，其中最富特色的部分莫過(guò)于其多功能同位素溫差電源，該電源采用PuO2(Pu-238)作為燃料，能夠持續(xù)穩(wěn)定地為巡視器其他分系統(tǒng)提供電能和熱能，工作壽命可達(dá)14年以上。采用“核電池”大大降低了電源系統(tǒng)對(duì)火星環(huán)境的依賴性，提升了巡視器在低溫、塵暴等氣候環(huán)境下的生存能力。

美國(guó)三代火星探測(cè)機(jī)器人的車輪參數(shù)及受力如表3所示。同時(shí)對(duì)比好奇號(hào)與火星探測(cè)漫游者(Mars Exploration Rover，MER；包含機(jī)遇號(hào)和勇氣號(hào))的移動(dòng)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)其移動(dòng)性能非常相似；其次，好奇號(hào)的地面壓力重量比、速度重量比、轉(zhuǎn)矩重量比和慣性測(cè)量元件均與MER相似。不同之處是差速機(jī)構(gòu)，MER用的是差速箱結(jié)構(gòu)，而好奇號(hào)用的是差速桿結(jié)構(gòu)。

綜上所述，主副搖桿系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于星表移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，主要原因是該系統(tǒng)的車輪與地面接觸良好，底盤始終保持兩根搖桿傾斜角度的平均值(相對(duì)地面)，且允許星表移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人爬越車輪直徑一半大小的障礙物。但這種結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度有限，不適宜高速(>200 mm/s)行駛，且比常規(guī)懸架復(fù)雜，需要差速器配合。

在成功實(shí)施探測(cè)任務(wù)的星表移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人中(如表4所示)，通過(guò)結(jié)構(gòu)形式對(duì)比分析表明：輪式結(jié)構(gòu)是開(kāi)展星球表面巡視探測(cè)任務(wù)的首選，其中4輪、6輪、8輪分別占比27.27%、54.55%、18.18%。絕大部分星表移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人都采用搖臂轉(zhuǎn)向架式移動(dòng)系統(tǒng)，占比54.55%；各星表移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人的爬坡能力在20°～30°之間[24]。

表4 星表移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人對(duì)比(統(tǒng)計(jì)時(shí)間截至2020年4月30日)Table 4 Comparison of planetary surface mobile exploration robots (Statistics up to April 30, 2020)

目前星表移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人都是以月球或火星為探測(cè)目標(biāo)，其表面環(huán)境惡劣、非結(jié)構(gòu)性強(qiáng)，對(duì)星表移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人的移動(dòng)性能提出了很高的要求，因此星表移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人必須具有性能優(yōu)越、自適應(yīng)能力強(qiáng)的移動(dòng)系統(tǒng)，這也是星球探測(cè)的核心技術(shù)之一。同時(shí)月球和火星的重力環(huán)境均低于地球，如何驗(yàn)證移動(dòng)系統(tǒng)在不同于地球重力環(huán)境下的移動(dòng)性能也是星表移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人研究的關(guān)鍵問(wèn)題。

隨著各國(guó)對(duì)太空資源的爭(zhēng)奪，美國(guó)提出了重返月球計(jì)劃、中國(guó)提出了火星登陸計(jì)劃，歐洲航天局和印度也提出了相應(yīng)的月球探測(cè)計(jì)劃。新一輪的太空探測(cè)競(jìng)爭(zhēng)必定會(huì)出現(xiàn)更多的星表移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人，星表移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人也必將更加智能、功能更加強(qiáng)大。

2 原理樣機(jī)研究現(xiàn)狀

自20世紀(jì)60年代以來(lái)，以美國(guó)、前蘇聯(lián)(俄羅斯)、法國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家為首，各國(guó)科研機(jī)構(gòu)紛紛進(jìn)行各種類型星表移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人的研制，相繼研發(fā)了各種不同類型的原理樣機(jī)[25]。20世紀(jì)末，中國(guó)在新世紀(jì)航天發(fā)展的近期目標(biāo)中確定了“開(kāi)展以月球探測(cè)為主的深空探測(cè)的預(yù)先研究”，以清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)和航天科技集團(tuán)第五、八研究院為主的一些高等院校和科研機(jī)構(gòu)相繼開(kāi)展了月球探測(cè)機(jī)器人的研究工作[26-27]。迄今為止，國(guó)內(nèi)外研究人員從星表移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人的越障性能、地形適應(yīng)能力、能耗等需求出發(fā)，研制出了大量的原理樣機(jī)。本文根據(jù)移動(dòng)方式不同，將其分為輪式、腿式、履帶式及其他類型4種形式。

2.1 輪式機(jī)器人

輪式機(jī)器人具有移動(dòng)速度快、效率高等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛研究。輪式機(jī)器人可分為單輪、兩輪、三輪、四輪、五輪、六輪、八輪，其中四輪和六輪的研究最多。根據(jù)已收集到的資料，對(duì)各種輪式的機(jī)器人作了介紹和分析，本文所列舉的不同輪數(shù)機(jī)器人的樣例占比如圖6所示。由圖可知，四輪、六輪星表移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人由于具有顯著的靈活性和穩(wěn)定性仍是目前研究的重點(diǎn)。

圖6 不同輪式星表機(jī)器人研究分布Fig.6 Research distribution of different wheeled planetary robots

單輪機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，近似點(diǎn)接觸的方式使其轉(zhuǎn)向更為靈活；體積小，更容易找到最佳的越障路徑；同時(shí)軌跡控制也相對(duì)簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)則是不穩(wěn)定、易傾倒且控制較難。具有代表性的有美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)(Carnegie Mellon University，CMU)研制的Gyrover、日本東京電子通訊大學(xué)和美國(guó)密執(zhí)安州立大學(xué)各自研制的球形機(jī)器人。CMU研制的星球探測(cè)機(jī)器人Gyrover[5,28-29]，用一個(gè)輪子代替整個(gè)車體，利用圓形結(jié)構(gòu)的地形適應(yīng)能力，并且體積大大減小，增加了其機(jī)動(dòng)性和靈活性，見(jiàn)圖7[29]。日本東京電子通訊大學(xué)研制的球形移動(dòng)機(jī)器人[5,30]由球形輪和弧形體構(gòu)成，運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)都在球形輪內(nèi)，3個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)裝在一個(gè)單擺上，分別控制球形輪、弧形體和弧形。美國(guó)密執(zhí)安州立大學(xué)的球形機(jī)器人[31-32]內(nèi)部含有4根螺桿，每根螺桿各裝有質(zhì)量塊且能獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，通過(guò)改變質(zhì)量塊位置來(lái)改變機(jī)器人整體質(zhì)心位置，從而產(chǎn)生偏心力矩來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的全方位運(yùn)動(dòng)。

圖7 單輪機(jī)器人Gyrover[29]Fig.7 Single-wheeled robot: Gyrover[29]

兩輪機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制可靠、避障靈活，可作為子探測(cè)機(jī)器人提高探測(cè)效率、減小探測(cè)風(fēng)險(xiǎn)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的兩輪并列式月球車[33]具有體積小、不易傾覆、零半徑旋轉(zhuǎn)的特點(diǎn)。瑞士聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)研制的可進(jìn)行遙控操作的兩輪移動(dòng)機(jī)器人Joe[34]，采用陀螺儀作為傳感器來(lái)獲得機(jī)器人姿態(tài)信息；由于兩輪平行布置，每個(gè)輪各裝有一個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，Joe能穩(wěn)定地做U型回轉(zhuǎn)和零半徑回轉(zhuǎn)，見(jiàn)圖8(a)。美國(guó)Southern Methodist大學(xué)研制的兩輪自平衡機(jī)器人nBot[35]，不僅可以進(jìn)行零半徑回轉(zhuǎn)，還可以在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中碰到障礙物后自主地選擇路線繞過(guò)障礙物繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了在室內(nèi)、室外平坦路面和室外崎嶇路面等環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)，見(jiàn)圖8(b)。

圖8 兩輪機(jī)器人Fig.8 Two-wheeled robots

另外，美國(guó)國(guó)家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)擬于2025年計(jì)劃將兩輪機(jī)器人Axel Rover送上月球進(jìn)行洞穴探測(cè)。Axel Rover借鑒“溜溜球”的工作原理，通過(guò)不斷地?fù)u動(dòng)和解開(kāi)其身上的繩索，以期實(shí)現(xiàn)在任何地形上執(zhí)行探測(cè)任務(wù)[36]。為此，NASA聯(lián)合加州理工大學(xué)已研制了三代Axel Rover[37]。Axel V1被設(shè)計(jì)成一種模塊化運(yùn)載器，可攜帶有效科學(xué)載荷模塊進(jìn)行探測(cè)，但其越障能力不佳。圖9(a)所示的Axel V2在Axel V1的基礎(chǔ)上配備了繩索系統(tǒng)和大型“槳”輪，使其具有高機(jī)動(dòng)性，能適應(yīng)各種極端地形，但Axel V2的繩索易與車輪纏繞而出現(xiàn)故障。圖9(b)所示的Axel V3為繩索提供了一條導(dǎo)向管道，以防止繩索與車輪纏繞；同時(shí)其通過(guò)差速驅(qū)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎等操作。

圖9 Axel Rover[37]Fig.9 Axel Rover[37]

三輪機(jī)器人常以可展開(kāi)移動(dòng)系統(tǒng)為主，3個(gè)車輪聯(lián)接于同一懸架，可以達(dá)到較大的體積折疊比，但由于其平衡性不佳，實(shí)際應(yīng)用并不多。日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)(Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA)和東京工業(yè)大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)了折疊式機(jī)器人Tri-star2[29,38]，該機(jī)器人采用軸環(huán)和可壓縮輪結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性，其體積折疊比可達(dá)到373%，見(jiàn)圖10(a)。美國(guó)國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)局研制了索纜并聯(lián)機(jī)器人RoboCrane[29,39]，該移動(dòng)系統(tǒng)由3組索桿鉸接在一個(gè)Stewart平臺(tái)上形成，索桿可代替動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)形成移動(dòng)框架，通過(guò)索纜的順序張緊與釋放，改變索桿和車輪間相對(duì)位置，可最終完成折疊與展開(kāi)功能，見(jiàn)圖10(b)。

圖10 三輪機(jī)器人[29]Fig.10 Three-wheeled robots[29]

四輪機(jī)器人平衡穩(wěn)定性好且理論成熟，其研究應(yīng)用較為常見(jiàn)。美國(guó)的四輪探測(cè)機(jī)器人有較多研究成果，如CMU的Nomad[40-41]、NASA的SSR(Sample Return Rover)[42]，桑迪亞國(guó)家試驗(yàn)室的RATLER[43-44]，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)的Nanorover[45]。國(guó)內(nèi)的哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了行星輪式月球車[46]和變質(zhì)心四輪月球車[47]，湖南大學(xué)研制了一種菱形四輪月球車[48-49]。美國(guó)CMU研制的一種底盤可變形的四輪行星車Nomad，其底盤主要通過(guò)兩個(gè)四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行變形，底盤的四桿機(jī)構(gòu)可展開(kāi)成菱形或收縮成直線。當(dāng)?shù)妆P完全展開(kāi)時(shí)所占的包絡(luò)空間比其折疊狀態(tài)時(shí)增加35%，這種展開(kāi)功能使底盤具備超越其裝載結(jié)構(gòu)20%的靜穩(wěn)定性，見(jiàn)圖11(a)[41]。湖南大學(xué)基于“四輪三軸”設(shè)計(jì)思想研制了菱形四輪月球車，該車用最少輪數(shù)實(shí)現(xiàn)了六輪移動(dòng)系統(tǒng)具有的三軸性能，且任意三輪都能形成穩(wěn)定的三角形支撐結(jié)構(gòu)；遇到障礙時(shí)，通過(guò)調(diào)整姿態(tài)，將重心置于任意3條擺臂上，實(shí)現(xiàn)重心上下、前后、左右的偏移，完成跨越的動(dòng)作，在轉(zhuǎn)向、爬坡、越障等方面性能優(yōu)越，見(jiàn)圖11(b)[48]。

圖11 四輪機(jī)器人Fig.11 Four-wheeled robots

五輪機(jī)器人兼具四輪的簡(jiǎn)單輕巧和六輪的越障靈活，但五輪式不具備對(duì)稱穩(wěn)定性且控制較難，其研究應(yīng)用較少。圖12為JAXA研制的Micro5[50]，該車采用五點(diǎn)接觸懸吊式結(jié)構(gòu)，其中4個(gè)角輪為驅(qū)動(dòng)輪，中間輪為支撐輪，可繞橫梁節(jié)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，以此來(lái)調(diào)整重力在各車輪上的分配，從而提高車體的穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性。上海交通大學(xué)研制了一款五輪鉸接式月球車[51-52]，其前輪和中間兩輪能獨(dú)立轉(zhuǎn)向、獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，后面的兩個(gè)車輪是輔助輪；在越障過(guò)程中，仰俯電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)俯仰齒輪副使俯仰車架離開(kāi)地面，從而提高越障性能。

圖12 五輪機(jī)器人Micro5[50]Fig.12 Five-wheeled robot: Micro5[50]

六輪機(jī)器人具有較強(qiáng)的越障能力，是目前國(guó)內(nèi)外構(gòu)型最多、研究應(yīng)用最廣的類型，六輪式探測(cè)機(jī)器人的差異主要體現(xiàn)在懸架系統(tǒng)上：① 搖臂-轉(zhuǎn)向架式懸架最具有代表性，通過(guò)副搖臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，并借助于從動(dòng)輪來(lái)調(diào)整載荷在各個(gè)輪上的分力，從而提高車體的穩(wěn)定性和越障能力；美國(guó)JPL多采用此懸架系統(tǒng)且開(kāi)發(fā)了Rock 7[53](圖13(a))、FIDO(Field Integrated Design & Operations)[54]、SDM(Software Development Model)[55]等車型；② 三體柔性懸架由三節(jié)結(jié)構(gòu)串聯(lián)鉸接組成，可以實(shí)現(xiàn)俯仰、扭轉(zhuǎn)及擺動(dòng)等運(yùn)動(dòng)形式，具有很強(qiáng)的地形適應(yīng)能力及越障能力，但其所載儀器易受地形的影響；前蘇聯(lián)的Marsokhod[56](圖13(b))和哈爾濱工業(yè)大學(xué)的六圓柱-圓錐式月球車[57]采用此懸架系統(tǒng)；③ 平行架-叉形架懸架具有六輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、前后兩輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向的特點(diǎn)，叉形架可以分擔(dān)平行架的負(fù)載，使中輪易于越障，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和通過(guò)性；歐空局與瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院聯(lián)合研制的CRAB、Shrimp(圖13(c))及SOLERO[58]均采用此懸架系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)上海航天局牽頭研制的MR-2[59]和北方車輛研究所的FDTM(Find and Trace the Moon)月球車[60]也采用類似懸架系統(tǒng)。

圖13 六輪機(jī)器人[53,56,58,62-63]Fig.13 Six-wheeled robots[53,56,58,62-63]

國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)還研制了其他的六輪懸架系統(tǒng)。歐空局與俄羅斯RCL(Russia Science & Technology Rover Co.Ltd.)聯(lián)合研制的RCL Concept-C[61]的懸架兩側(cè)通過(guò)差速機(jī)構(gòu)連接，懸架各構(gòu)件間的耦合關(guān)系使其具有較強(qiáng)的越障能力，通過(guò)復(fù)雜路面時(shí)承載平臺(tái)相對(duì)平穩(wěn)；其研制的RCL Concept-E[61]懸架系統(tǒng)由3組平行四邊形機(jī)構(gòu)組成，3組機(jī)構(gòu)均與承載平臺(tái)鉸接，無(wú)差速機(jī)構(gòu)，在通過(guò)不對(duì)稱障礙時(shí)，承載平臺(tái)易保持水平。圖13(d)為吉林大學(xué)的正反四邊形月球車[62]，采用正反四邊形懸架，該懸架每側(cè)由六根桿件相互鉸接成一套正四邊形機(jī)構(gòu)和反四邊形機(jī)構(gòu)，左右兩側(cè)懸架在水平桿處與載荷平臺(tái)通過(guò)差速器實(shí)現(xiàn)差速，其正、反四邊形機(jī)構(gòu)均可提高越障能力和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。國(guó)防科技大學(xué)的雙曲柄滑塊月球車[63]如圖13(e)所示，其采用獨(dú)特的雙曲柄滑塊聯(lián)動(dòng)懸架，該懸架由主搖臂、滑塊及曲柄連桿組成，通過(guò)滑塊組合在主搖臂上的滑動(dòng)來(lái)改變車輪之間的相對(duì)高度以適應(yīng)地形。

另外，值得一提的是重慶大學(xué)聯(lián)合四川美術(shù)學(xué)院提出的可重復(fù)、可重構(gòu)載人月球車概念設(shè)計(jì)方案[64]?？芍貜?fù)、可重構(gòu)載人月球車前、后車架均與中車架鉸接，使前、后車架能夠相對(duì)折疊，見(jiàn)圖14(a)和圖14(b)；前、后車輪的輪轂電機(jī)的軸與對(duì)應(yīng)車架上的懸架相鉸接，使前、后車輪能夠在俯仰方向上擺動(dòng)，當(dāng)前、后車架相對(duì)折疊到位時(shí)，前車輪與對(duì)應(yīng)側(cè)的后車輪貼靠在一起，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大的收藏比(3.73)。目前，該概念車已經(jīng)完成樣機(jī)研制，見(jiàn)圖14(c)。

圖14 可重復(fù)、可重構(gòu)載人月球車[64]Fig.14 Repeatable and reconfigurable manned lunar rover[64]

八輪機(jī)器人在行駛穩(wěn)定性方面具有優(yōu)勢(shì)，但結(jié)構(gòu)和控制則較復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外對(duì)其研究并不多。國(guó)外瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院研制了Octopus探測(cè)機(jī)器人[49]。國(guó)內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了一種扭桿雙搖臂式月球車[47,65-67]如圖15所示，采用閉鏈平面鉸鏈機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，通過(guò)差速機(jī)構(gòu)與承載平臺(tái)連接，具有重力在各輪上均勻分配、八輪自適應(yīng)地形及通過(guò)性能良好等優(yōu)點(diǎn)，但其結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜。

圖15 八輪扭桿雙搖臂式月球車[47]Fig.15 Eight-wheeled lunar rover with torsion-bar and two rockers[47]

輪式星表移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人是目前各國(guó)研究最多的，在試驗(yàn)驗(yàn)證方面，圍繞輪式星表移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人的移動(dòng)可靠性和穩(wěn)定性，各國(guó)都有針對(duì)性地研制了高精度的單輪測(cè)試系統(tǒng)和整車測(cè)試系統(tǒng)。

單輪測(cè)試平臺(tái)用以研究車輪與星球模擬土壤之間的相互作用，為機(jī)器人更好地完成探測(cè)任務(wù)奠定基礎(chǔ)。整車測(cè)試系統(tǒng)能模擬星球表面的環(huán)境條件，根據(jù)表面地形地貌、巖石類別和土壤物理機(jī)械特性等特征建立模擬試驗(yàn)場(chǎng)。在試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)可進(jìn)行輪式星表移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人的通過(guò)性試驗(yàn)，檢驗(yàn)其動(dòng)力性、越障、爬坡及路徑規(guī)劃等能力。

2.2 腿式機(jī)器人

腿式機(jī)器人一般采用仿生學(xué)原理，主要模擬哺乳動(dòng)物、昆蟲等生物的行動(dòng)方式。腿式機(jī)器人可以很好地實(shí)現(xiàn)越障和避障，有的甚至可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，而且不會(huì)打滑。腿式機(jī)器人在地形適應(yīng)能力方面優(yōu)于輪式結(jié)構(gòu)，可以越過(guò)更高的障礙和穿過(guò)更崎嶇的地形，缺點(diǎn)則是行走速度低、效率低，結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)相對(duì)比較復(fù)雜，其步態(tài)規(guī)劃和平衡控制也是核心難題。

美國(guó)CMU在腿式機(jī)器人方面研究較多，曾開(kāi)發(fā)Dante Ⅰ、Dante Ⅱ、Ambler以及Daedalus[38,68-70]。Dante Ⅰ曾對(duì)南極埃里伯斯火山口進(jìn)行了探險(xiǎn)。Dante Ⅱ是Dante Ⅰ的改進(jìn)型，如圖16(a)所示。Ambler采用被動(dòng)式腿結(jié)構(gòu)，能獨(dú)立調(diào)節(jié)，具有很強(qiáng)的越障能力。Daedalus在Ambler的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化，其越障能力進(jìn)一步得到提高。德國(guó)宇航中心研制的小型六足機(jī)器人DLR-Crawler[71]，其可作為子機(jī)器人置于大型探測(cè)器內(nèi)，投放到相對(duì)危險(xiǎn)的區(qū)域執(zhí)行探測(cè)任務(wù)，見(jiàn)圖16(b)。德國(guó)人工智能研究中心研發(fā)的六足蜘蛛式機(jī)器人CREX[72]如圖16(c)所示，利用多足和多冗余度可以在惡劣環(huán)境中完成探測(cè)工作。波蘭波茲南科技大學(xué)研制的六足機(jī)器人Messor[73]對(duì)復(fù)雜地形也具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。日本千葉大學(xué)研制的六足機(jī)器人COMET-IV[74]更適應(yīng)斜坡及松軟地形。

圖16 腿式機(jī)器人[38,71-72,75-77]Fig.16 Legged robots[38,71-72,75-77]

鑒于六足機(jī)器人具有穩(wěn)定性好、承載大及環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)對(duì)六足機(jī)器人也開(kāi)展了多方位的研究，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)研發(fā)的兩代仿生六足機(jī)器人HITCR[75-76](圖16(d)、圖16(e))，上海交通大學(xué)在“國(guó)家973項(xiàng)目”的支持下研制了Octopus系列六足機(jī)器人[77](圖16(f))以及帶腰仿生六足機(jī)器人[78]。其中哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的HITCR I[75]如圖16(d)所示，其以復(fù)合四連桿機(jī)構(gòu)為腿部基本結(jié)構(gòu)，并將腿部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的重量集中設(shè)計(jì)在軀干基關(guān)節(jié)上，使得機(jī)器人腿部具有較大的運(yùn)動(dòng)剛度和較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；同時(shí)其軀體外形以及各肢體基關(guān)節(jié)分布的基本構(gòu)型均為橢圓形，這種設(shè)計(jì)減少了腿間運(yùn)動(dòng)干涉，提高了步行的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了在平坦地形上的自由步態(tài)行走。圖16(e)的HITCR Ⅱ[76]則是為在復(fù)雜環(huán)境中行走而研制的，其腿部采用高集成模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由基節(jié)、股節(jié)和脛節(jié)組成，各個(gè)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)也完全相同，保證了機(jī)器人良好的互換性；同時(shí)安裝了視覺(jué)和力等傳感器，可通過(guò)視覺(jué)傳感器來(lái)選擇足部的路徑和支撐點(diǎn)，通過(guò)腿部三自由度力傳感器的柔度控制來(lái)提高機(jī)器人對(duì)崎嶇地形的適應(yīng)能力。另外，北京航空航天大學(xué)提出的九自由度六足全方位步行機(jī)器人[79]，巧妙地利用六足結(jié)構(gòu)將自由度減少為9個(gè)，并可實(shí)現(xiàn)全方位行走。

腿式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是一系列離散的點(diǎn)與地面接觸，其對(duì)地形的適應(yīng)性較強(qiáng)，同時(shí)對(duì)所探測(cè)環(huán)境的擾動(dòng)也較小，能夠?qū)Φ匦谓Y(jié)構(gòu)復(fù)雜且具有較高科考價(jià)值的區(qū)域?qū)嵤?shí)地探測(cè)。然而，對(duì)腿式機(jī)器人高效、節(jié)能步態(tài)規(guī)劃及機(jī)器人本體在強(qiáng)非結(jié)構(gòu)地形運(yùn)動(dòng)的靈活性、穩(wěn)定性研究仍需進(jìn)一步深化。隨著對(duì)動(dòng)物仿生學(xué)研究的深入、控制技術(shù)和傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及未來(lái)對(duì)強(qiáng)非結(jié)構(gòu)地形如月球洞穴、火星沖積地形等探測(cè)需求的提高，將共同促進(jìn)腿式機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展。

2.3 履帶式機(jī)器人

履帶式機(jī)器人具有地形適應(yīng)能力強(qiáng)、穩(wěn)定性能和越障性能良好、動(dòng)載荷小、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，但其整體結(jié)構(gòu)笨重、能耗大，且其履帶容易被巖土磨損，導(dǎo)致履帶式機(jī)器人在星表探測(cè)方面的研究相對(duì)較少。

俄羅斯移動(dòng)車輛工程學(xué)院在履帶式探測(cè)機(jī)器人方面有一定的研究，曾研制了IDD(Instrument Deployment Device)雙履帶式探測(cè)車和四履帶火星探測(cè)車[38,80-81]。IDD雙履帶式探測(cè)車如圖17(a)所示，該車整體結(jié)構(gòu)可變形且重心低，主車體平臺(tái)既可與地面平行，又可向前翻轉(zhuǎn)與地面垂直。四履帶火星探測(cè)車重450 kg，采用四履帶移動(dòng)系統(tǒng)，有較強(qiáng)的地形通過(guò)能力。歐洲航天局研制的履帶式機(jī)器人Nanokhod[82]在移動(dòng)時(shí)與地面有很好的摩擦因數(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、越障能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但轉(zhuǎn)彎時(shí)存在摩擦損失大、機(jī)動(dòng)性能差等不足，見(jiàn)圖17(b)。日本在履帶式機(jī)器人方面研究較多，如JAXA研制了一種輕型履帶式機(jī)器人[83]，其懸架由4個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)及轉(zhuǎn)向的網(wǎng)狀履帶輪組成，履帶與地面接觸面積大，再通過(guò)其特有的懸架系統(tǒng)使其具有較強(qiáng)的越障能力，見(jiàn)圖17(c)；千葉工業(yè)大學(xué)研制的一款六履帶四擺臂式機(jī)器人“木槿”[84],如圖17(d)所示，其前后兩對(duì)擺臂能夠獨(dú)立擺動(dòng)，通過(guò)擺臂的姿態(tài)調(diào)整使其具有良好的越障性能；東北大學(xué)設(shè)計(jì)了一款小型履帶式移動(dòng)機(jī)器人Quince[85]，其結(jié)構(gòu)緊湊且體積小，具有很好的機(jī)動(dòng)性與靈活性。

履帶式機(jī)器人對(duì)松軟的星球表面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其下陷度小且通過(guò)性能良好。北京航空航天大學(xué)研制的可重構(gòu)履帶式機(jī)器人、沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制的CLIMBER機(jī)器人、國(guó)防科技大學(xué)研制的六履帶結(jié)構(gòu)機(jī)器人、上海交通大學(xué)研制的六履帶四擺臂式機(jī)器人等均是圍繞非結(jié)構(gòu)地形特點(diǎn)開(kāi)展的關(guān)于履帶式機(jī)器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化及高機(jī)動(dòng)性方面的研究。北京航空航天大學(xué)研制的可重構(gòu)履帶式機(jī)器人[86]由4個(gè)具有獨(dú)立運(yùn)動(dòng)能力的基礎(chǔ)模塊、2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)模塊及5個(gè)連桿模塊組成，移動(dòng)系統(tǒng)采用履帶式結(jié)構(gòu)，具有地形適應(yīng)能力強(qiáng)、平穩(wěn)性好等優(yōu)點(diǎn)，見(jiàn)圖17(e)。上海交通大學(xué)的六履帶四擺臂式機(jī)器人[87]如圖17(f)所示，其在主履帶前后分別加裝了一對(duì)擺臂結(jié)構(gòu)，其姿態(tài)調(diào)整更為靈活，因此對(duì)非結(jié)構(gòu)地形的適應(yīng)能力又進(jìn)一步提高；其和日本千葉工業(yè)大學(xué)的“木槿”一樣采用擺臂外置結(jié)構(gòu)，但該機(jī)器人的4個(gè)擺臂可以回收在車體內(nèi)側(cè)，這是“木槿”所缺乏的，這使得該機(jī)器人可以大大減少整個(gè)機(jī)構(gòu)安放時(shí)的包絡(luò)尺寸。

圖17 履帶式機(jī)器人Fig.17 Tracked robots

履帶式機(jī)器人著地面積較大，同時(shí)履帶與地面的粘合力強(qiáng)，能在凹凸不平的崎嶇地面上穩(wěn)定行駛，具有較好的地面適應(yīng)性和越障穩(wěn)定性，但履帶式機(jī)器人結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，其移動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率也不高，這些都限制了履帶機(jī)器人在實(shí)際中的應(yīng)用。

2.4 其他類型機(jī)器人

隨著材料科學(xué)的發(fā)展和機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步，星表移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)萌生了許多新的概念，如子母式機(jī)器人、復(fù)合式機(jī)器人以及彈跳式機(jī)器人等，每種類型均有獨(dú)自的特點(diǎn)。

子母式機(jī)器人，由一個(gè)母機(jī)器人及若干個(gè)子機(jī)器人構(gòu)成。母機(jī)器人攜帶子機(jī)器人進(jìn)行探測(cè)，對(duì)于地形復(fù)雜又具有較高探測(cè)價(jià)值的區(qū)域，子機(jī)器人可以替代母機(jī)器人執(zhí)行探測(cè)任務(wù)，這樣不僅提高探測(cè)效率，還可以降低母機(jī)器人的探測(cè)風(fēng)險(xiǎn)。日本東京工業(yè)大學(xué)研制的SMC月球車[88-89]由一個(gè)主體和多個(gè)子機(jī)器人組成，如圖18(a)所示。主體包括太陽(yáng)能電池、通訊裝置、樣品分析儀、電池充電器和子機(jī)器人的工具更換裝置，子機(jī)器人由一個(gè)用于移動(dòng)的輪子和一個(gè)用于操作的機(jī)械手臂組成。SMC月球車的主體不能自行移動(dòng)，但子機(jī)器人的機(jī)械手臂可以與主體連接充當(dāng)主動(dòng)輪以使其移動(dòng)。每個(gè)子機(jī)器人都可以從主體中分離出來(lái)，自行移動(dòng)并執(zhí)行單獨(dú)的探測(cè)任務(wù)。子機(jī)器人可以在“運(yùn)動(dòng)模式”和“操作模式”之間切換。當(dāng)處于“運(yùn)動(dòng)模式”時(shí)，通過(guò)伸展手臂，可以在地面上實(shí)現(xiàn)高機(jī)動(dòng)性移動(dòng)，其機(jī)械手臂的手腕處裝有腳輪，通過(guò)手腕運(yùn)動(dòng)改變?cè)撃_輪的方向(偏航角度)以控制其運(yùn)動(dòng)方向，見(jiàn)圖18(b)；當(dāng)處于“操作模式”時(shí)，機(jī)械手臂則充當(dāng)帶有夾持器的機(jī)械手，進(jìn)行采樣等操作，見(jiàn)圖18(c)。

圖18 子母式機(jī)器人[88]Fig.18 Primary-secondary robots[88]

復(fù)合式機(jī)器人是基于輪、腿、履的不同組合形式所形成的機(jī)器人，可組合為輪腿式、輪履式、履腿式及輪腿履式4類?？紤]到控制的可靠性和移動(dòng)高效性的需求，目前復(fù)合式星表移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人的研究主要集中在輪腿式機(jī)器人方面。輪腿式機(jī)器人融合了腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)較強(qiáng)的地形適應(yīng)能力和輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的高速高效性能。

針對(duì)月球基地的建設(shè)，NASA研制了一款全地形六輪腿機(jī)器人ATHLETE[90]用于月球上的運(yùn)輸任務(wù)，見(jiàn)圖19(a)。NASA研制的另一款輪腿式月球車Chariot[91]如圖19(b)所示，其采用6組12車輪，全輪實(shí)現(xiàn)獨(dú)立轉(zhuǎn)向，車輪為可旋轉(zhuǎn)式，整車由兩個(gè)電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，可兩級(jí)變速，采用模塊化的設(shè)計(jì)使其可以搭載多名宇航員和較多的負(fù)載，并可配備不同的裝備以完成不同的任務(wù)。為提高探測(cè)機(jī)器人的越障能力，美國(guó)JPL研制了四輪腿機(jī)器人Gofor[92]、上海交通大學(xué)則研制了一種管道形輪腿式探測(cè)機(jī)器人PWLER[93]、重慶大學(xué)聯(lián)合上海宇航系統(tǒng)工程研究所研制了六輪腿月面機(jī)器人[94](圖19(c))。其中上海交通大學(xué)的PWLER機(jī)器人由兩個(gè)機(jī)器人單元組成，每個(gè)機(jī)器人單元由管道連接而成的機(jī)架、圓柱形太陽(yáng)能電池板、6條可獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的輪腿和1個(gè)探測(cè)球組成，機(jī)器人單元之間通過(guò)1根連接軸和3個(gè)平行的伸縮部件相連。此外，PWLER具有多種獨(dú)特性能，爬坡時(shí)能保持機(jī)體處于水平狀態(tài)；通過(guò)增加管道，可很容易地進(jìn)行容積和探測(cè)功能的擴(kuò)展；同時(shí)具有良好的傾覆穩(wěn)定性。

圖19 輪腿式機(jī)器人Fig.19 Wheel-legged robots

彈跳式機(jī)器人的突然爆發(fā)性有助于其越過(guò)障礙物，因此彈跳機(jī)器人具有很強(qiáng)的越障及環(huán)境適宜能力，在星表探測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。彈跳式機(jī)器人從運(yùn)動(dòng)形式上可以分為連續(xù)彈跳式和間歇彈跳式。NASA研制的三代彈跳機(jī)器人[95-97]均屬于間歇彈跳式機(jī)器人(第一代見(jiàn)圖20(a))，美國(guó)CMU則研制了一種既可以連續(xù)彈跳又可以間歇彈跳的多腿球形機(jī)器人RATS[98]。圖20(b)為美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校研制的一種六桿張拉機(jī)器人[99]，其由6根桿件和24根彈性繩組成，每根桿均由電池座、定制連接器和減振器等組成，該機(jī)器人通過(guò)變形實(shí)現(xiàn)彈跳行走。

針對(duì)月球、火星表面的低重力環(huán)境，麻省理工學(xué)院研制了球形彈跳機(jī)器人Microbots[100]、日本宇航局和東京大學(xué)聯(lián)合設(shè)計(jì)了Minerva彈跳機(jī)器人[101]、哈爾濱工業(yè)大學(xué)則研制了一種球形滾動(dòng)彈跳式機(jī)器人[102]。通過(guò)對(duì)袋鼠跳躍過(guò)程中其腿部動(dòng)作的研究，西北工業(yè)大學(xué)和臺(tái)灣大學(xué)的研究人員分別研制了仿袋鼠跳躍機(jī)器人[103-105]。哈佛大學(xué)提出了仿蟑螂爬行跳躍機(jī)器人HARM[97]，該機(jī)器人四足構(gòu)造一致，兩個(gè)壓電微型制動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)控制足部的全空間靈活運(yùn)動(dòng)，能夠通過(guò)四足的協(xié)調(diào)控制像蟑螂一樣高速爬行、跳躍、爬升和急轉(zhuǎn)彎，攜帶有效載荷從高處墜落也不至于受損，見(jiàn)圖20(c)。

圖20 彈跳式機(jī)器人Fig.20 Jumping robots

綜上所述，星表移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人的移動(dòng)方式無(wú)論是采用輪式、腿式或履帶式，亦或是輪腿復(fù)合式、彈跳式等，都必須克服其固有的短處，如輪式的地形適應(yīng)性不足、腿式的控制較難、履帶式和輪腿式的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，彈跳式的落地平穩(wěn)性較差等。同時(shí)要使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活、適應(yīng)能力強(qiáng)，其操控難度也勢(shì)必會(huì)增加，進(jìn)一步可能會(huì)影響星表探測(cè)任務(wù)的進(jìn)程。這些都是目前星表移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人研制領(lǐng)域的矛盾共同體，有待科研人員進(jìn)一步深化研究。

3 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

隨著星表探測(cè)任務(wù)越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)星表移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人的要求也將越來(lái)越高，未來(lái)的星表移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人必須具備更長(zhǎng)的移動(dòng)距離、更高的移動(dòng)速度、更強(qiáng)的越障能力和更大的科學(xué)載荷承載能力，因此對(duì)星表移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求，其未來(lái)可能的發(fā)展趨勢(shì)如下：

1) 星球表面崎嶇不平的路況對(duì)星表移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人的越障能力提出了較高要求。輪式機(jī)器人可通過(guò)底盤的優(yōu)化提高越障能力；輪腿復(fù)合式機(jī)器人兼具輪式高速移動(dòng)和腿式越障能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，將是一個(gè)大的發(fā)展趨勢(shì)方向。

2) 由于航天器對(duì)尺寸及重量有嚴(yán)格的限制，減少星表移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人的質(zhì)量和體積具有較大意義。在保證正常功能的前提下，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)、采用較輕材料等手段可降低探測(cè)機(jī)器人的質(zhì)量；采用新型的具有大折展比的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可降低探測(cè)機(jī)器人所占體積。

3) 星球表面上存在較多的未知情況和各種潛在威脅，需保證星表移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人的高可靠性。子母式機(jī)器人和彈跳式機(jī)器人將是一個(gè)大的發(fā)展趨勢(shì)，子機(jī)器人既可以減少航天器的發(fā)射重量、節(jié)省空間，又可以降低母機(jī)器人探測(cè)風(fēng)險(xiǎn)、擴(kuò)大探測(cè)范圍；彈跳式機(jī)器人具有優(yōu)越的被動(dòng)地形適應(yīng)能力和高機(jī)動(dòng)性，將成為極端危險(xiǎn)又具有高科考價(jià)值的探測(cè)區(qū)域的首選機(jī)器人。

4 結(jié) 論

本文對(duì)星表移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)的綜述，包括對(duì)已經(jīng)成功實(shí)施探測(cè)任務(wù)的星表移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人的技術(shù)狀態(tài)、在軌運(yùn)行狀態(tài)等進(jìn)行了回顧、歸納、分析；對(duì)目前在研的可適應(yīng)于星表探測(cè)的機(jī)器人進(jìn)行了梳理和分類討論，詳細(xì)分析了不同結(jié)構(gòu)形式星表移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)、技術(shù)參數(shù)及其環(huán)境適應(yīng)性等。在文獻(xiàn)綜述的基礎(chǔ)上，對(duì)星表移動(dòng)探測(cè)機(jī)器人的未來(lái)可能的發(fā)展趨勢(shì)做了展望，以期能夠?yàn)閺氖略擃I(lǐng)域的研究人員提供借鑒。