路達，劉金國，高海波

1. 中國科學院 沈陽自動化研究所 機器人學國家重點實驗室，沈陽 110016 2. 中國科學院 機器人與智能制造創(chuàng)新研究院，沈陽 110169 3. 哈爾濱工業(yè)大學 機器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室，哈爾濱 150080

自蘇聯(lián)于1957年發(fā)射了第1顆人造衛(wèi)星(Sputnik-1) 以來，世界各航天大國開展了大量的星球探測任務(wù)并取得了豐碩的成果。探測范圍從近地軌道逐漸拓展到深空領(lǐng)域。星球探測的方式主要有飛掠、繞飛、撞擊、軟著陸及移動探測等。其中，軟著陸及移動探測相比其他探測方式，可對星球進行長時間直接和精確的探測。然而受著陸器的著陸條件和探測機器人移動能力限制，人類成功完成的幾次星球表面著陸探測均局限于相對平坦的區(qū)域，缺少對崎嶇地形的探測，而巖石區(qū)、環(huán)形山以及撞擊坑等作為其主要地形組成部分，這些區(qū)域的探測對于研究地質(zhì)變化、行星起源與演化和深層次樣品采集等方面具有重要的意義。

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，采用自身具有減振功能的移動機器人，能夠有效減小發(fā)射質(zhì)量和包絡(luò)空間，大幅降低成本，不受大部分著陸區(qū)域地形地貌的限制，單次任務(wù)可攜帶多個移動機器人，在星球表面不同區(qū)域進行高空投放，開展分布式探測。

本文重點回顧和分析了傳統(tǒng)著陸巡視系統(tǒng)軟著陸和移動探測任務(wù)的特點及存在的缺陷，分析了各種具備著陸巡視一體化能力的探測移動機器人類型及其特點，并對各自領(lǐng)域的研究進展進行了總結(jié)概述，對著陸巡視一體化機器人未來的發(fā)展方向進行了展望，以期為我國未來在深空探測領(lǐng)域后續(xù)任務(wù)中開展著陸巡視一體化探測機器人技術(shù)研究和應(yīng)用提供有益參考。

1 傳統(tǒng)著陸巡視系統(tǒng)及存在的主要問題

傳統(tǒng)星球探測著陸巡視系統(tǒng)，一般通過探測器與減速設(shè)備和緩沖減振裝置等組合的方式開展，主要面向月球和火星探測 (見表1)。截至目前，共有7輛月球車成功進行了月面巡視探測，其中4輛是無人月球車，包括蘇聯(lián)的月球車1號和月球車2號以及中國的兩輛玉兔號月球車；3輛有人駕駛的月球車為美國阿波羅15號、16號和17號任務(wù)中搭載的 LRV (The Lunar Roving Vehicle) 載人月球車。

美國是目前世界上唯一實現(xiàn)火星表面巡視探測的國家，其火星探測任務(wù)經(jīng)歷了3個階段:(火星探路者計劃 (Mars Pathfinder，MPF)，火星探測漫游車計劃 (Mars Exploration Rover，MER)，火星科學實驗室計劃 (Mars Science Laboratory，MSL))，共有4輛火星車參與。以火星探路者計劃任務(wù)為例，探測器首先通過火星大氣層減速；在距離火星表面約10 km高度處，系帶式降落傘展開；下降到300 m高度處，緩沖氣囊充氣；在距離火星表面約50 m高度處，反推力火箭啟動；安全著陸后，緩沖氣囊被放氣，索杰納 (Sojourner) 火星車從著陸器上駛離。該任務(wù)中的著陸器為錐形四面體結(jié)構(gòu)，本身不具備緩沖減振功能。

表1 傳統(tǒng)星球探測著陸巡視系統(tǒng)Table 1 Traditional planetary exploration and landing patrol systems

在嫦娥四號探測器首次實現(xiàn)月球背面軟著陸的過程中，利用激光導航避障敏感器等設(shè)備實現(xiàn)高精度實時導航和避障，使得著陸器能夠自主選擇在相對平坦的區(qū)域穩(wěn)定著陸[1-2]。然而作為傳統(tǒng)著陸巡視系統(tǒng)，用于著陸和緩沖減振的相關(guān)裝置占據(jù)了大部分的資源能源、安裝空間和發(fā)射質(zhì)量，存在任務(wù)成本高、系統(tǒng)復雜和容錯性差等諸多難題，其中任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障都可能導致整個探測任務(wù)的失敗，并且著陸后姿態(tài)不可調(diào)整，著陸地形及探測范圍受限。

2 著陸巡視一體化機器人分類及研究現(xiàn)狀

著陸巡視一體化機器人是一種集著陸緩沖和移動行走功能于一身的探測機器人，著陸時依靠自身緩沖機構(gòu)吸收沖擊能量使結(jié)構(gòu)不發(fā)生損壞，通過調(diào)整自身機構(gòu)改變位置姿態(tài)進而開展移動探測，能夠適應(yīng)星球表面復雜地形條件。與傳統(tǒng)著陸巡視系統(tǒng)相比，著陸巡視一體化機器人有效降低了系統(tǒng)的復雜程度，大幅提高了星球表面移動作業(yè)的靈活性和探測范圍。按緩沖減振形式和移動方式的不同，著陸巡視一體化機器人可分為腿式、球形、跳躍式和張拉整體式等主要類型。

2.1 腿式著陸巡視一體化機器人

在以往完成的星球表面軟著陸任務(wù)中，采用的著陸器大多為多腿固定式，其著陸穩(wěn)定性高、姿態(tài)控制相對成熟，但僅能開展原位探測及采樣等任務(wù)，作業(yè)空間僅限于幾米長的機械臂所及之處，探測范圍非常局限。針對現(xiàn)有多腿固定式著陸器的局限，為拓展其作業(yè)范圍，在傳統(tǒng)腿式著陸器的基礎(chǔ)上增加運動機構(gòu)，著陸后通過自身機構(gòu)調(diào)整，具備移動能力。

美國國家航空航天局 (National Aeronautics and Space Administration，NASA) 的 Mankins[3]提出的月面可移動模塊化六足式概念機器人 Habitat，其單足為雙桿并聯(lián)機構(gòu)，上部安裝有六面體可增壓艙，各模塊之間的壓力接口連接起來可以組成模塊化月球基地 (見圖1)[3]。

圖1 Habitat 移動月球基地概念圖[3]Fig.1 Concept map of mobile moon base of Habitat[3]

在美國重返月球計劃 (星座計劃) 項目資助下，NASA 約翰遜航天中心 (Johnson Space Center，JSC) 開展了新型月球著陸器研究，提出了多種概念構(gòu)型[4]，各有側(cè)重點，如實現(xiàn)有效載荷的裝卸、作為月球基地供宇航員駐留等，其中部分概念著陸器具有移動功能，可實現(xiàn)人員和貨物的轉(zhuǎn)移并能開展巡視探測 (見圖2)。

圖2 “星座計劃”中開發(fā)的移動式著陸器概念方案[4]Fig.2 Concept schemes of mobile lander in “Constellation Program”[4]

NASA研制的六輪腿復合式機器人 ATHLETE (見圖3(a))，計劃用于月球探測[5]。該機器人兼具輪式移動系統(tǒng)高速高效的移動性能和腿式移動系統(tǒng)突出的越障能力，其車輪采用法國米其林公司 (Michelin) 和美國克萊姆森大學 (Clemson University) 聯(lián)合研發(fā)的碳纖維復合材料 (見圖3 (b))，質(zhì)量輕、強度高，在受到著陸沖擊時利用變形緩和沖擊，變形后可快速恢復；并且腿機構(gòu)上的緩沖裝置也能夠起到緩沖減振功能。

圖3 ATHLETE 六輪腿復合式機器人及其彈性車輪[5]Fig.3 Six wheel leg hybrid robot and its elastic wheels of ATHLETE[5]

香港大學的 Hung 和 Howe[6]提出了月面移動機器人概念 Mobitat。該機器人采用八輪搖臂轉(zhuǎn)向架式移動系統(tǒng)，具有折展功能，在發(fā)射和下降期間收攏以減小包絡(luò)體積，通過下部的兩個反推力發(fā)動機實現(xiàn)有源下降 (見圖4 (a))。著陸后，反推力發(fā)動機收攏，移動系統(tǒng)展開，進行巡視探測 (見圖4 (b))。但該方案由于著陸后反推力裝置和有源設(shè)備沒有被卸載，在移動過程中，該部分占用了較多的體積和質(zhì)量，使得整個系統(tǒng)過于笨重，影響移動性能。

圖4 Mobitat 減速下降和著陸巡視狀態(tài)[6]Fig.4 Deceleration descent and landing inspection status of Mobiltat[6]

此外，采用腿式著陸巡視一體化機器人的概念方案還包括：波音公司 (Boeing) 設(shè)計的火星衛(wèi)星著陸器[7]，分為 MCL (貨運) 和 MPL (載人) 兩種構(gòu)型方案；NASA 設(shè)計的 Lockheed Martin[8]月球著陸器； Howe[9]提出的模塊化可增壓移動式著陸器等。

上海交通大學的林榮富等[10-11]綜合考慮承載能力、發(fā)射空間和能耗等因素，提出了著陸與行走功能分離的四腿式移動機器人 (見圖5)。該機器人在機械腿上設(shè)有著陸緩沖機構(gòu)，具有多向緩沖減振能力；機械腿本身為多連桿并聯(lián)機構(gòu)，具有折展功能；在著陸器平臺與機械腿之間增加運動關(guān)節(jié)，著陸后姿態(tài)可調(diào)整，承載能力高，具備多種復雜地形下的移動能力。

圖5 著陸與行走功能分離的四腿式巡視機器人[10]Fig.5 Four legged inspection robot with separate functions of landing and walking [10]

中國空間技術(shù)研究院的張志賢等[12]提出了六輪腿式可移動載人月面著陸器 (見圖6)，并對其進行了全任務(wù)過程分級設(shè)計，在發(fā)射期間輪腿收攏以減小包絡(luò)體積；當接近著陸時，輪腿展開；著陸后，機器人可根據(jù)月面地形選擇輪式或腿式移動方式，其越障高度可達4 m。

圖6 輪腿式可移動載人月面著陸器概念著陸狀態(tài)[12]Fig.6 Concept landing status of wheeled leg mobile manned lunar surface lander[12]

此外，南京航空航天大學的陳金寶、上海宇航系統(tǒng)工程研究所的劉志、北京空間技術(shù)研制試驗中心的李志杰等學者均進行了腿式著陸巡視一體化機器人的相關(guān)概念研究。

腿式著陸巡視一體化機器人集著陸、人員和貨物運輸及移動探測等多種功能于一身，采用模塊化的設(shè)計理念，可相互組合，還能夠為星球基地的初期建設(shè)提供支持，提高了星球表面作業(yè)的可拓展性。但由于其結(jié)構(gòu)體積和重量較大，需要大推力的火箭運載或者采用多次發(fā)射并在星體表面完成組裝，著陸地點要求相對平坦并且需保證著陸姿態(tài)的穩(wěn)定性，在探測區(qū)域多樣性、任務(wù)靈活性等方面存在諸多不足。

2.2 仿風滾草球形機器人

風滾草是一種在戈壁、沙漠等干旱地區(qū)中常見的植物，其近基部節(jié)上有很多弧形分枝，到了深秋季節(jié)，枯枝蜷縮成球狀，質(zhì)量輕且干枯的莖部很容易折斷，受到風吹動后，飛在空中或在地面滾動，能移動很長距離。風滾草為近似球形，枝條具有一定彈性，能夠承受高空著陸的沖擊。

20世紀70年代，根據(jù)風滾草植物結(jié)構(gòu)及其運動的特點，法國巴黎大學 (Paris University) 的 Blamont 最早提出利用風力驅(qū)動充氣式球形機器人進行移動探測的構(gòu)想[13]。此后，美國亞利桑那大學 (University of Arizona) 研制了大型圓柱狀機器人原理樣機 Mars Ball[13]，通過外部8個充氣裝置交替充氣和放氣使重心位置發(fā)生變化，產(chǎn)生滾動，而柔性的充氣裝置本身具有緩沖減振作用。NASA 研制了電機驅(qū)動充氣式球形機器人 Wind-blown Ball[14]，通過操縱機構(gòu)轉(zhuǎn)向，但在隨后的測試中，該機器人出現(xiàn)充氣球脫落的故障。可以看到，在早期的探索階段，研究者們僅借鑒了 Blamont 提出的設(shè)計理念，并未采用風力驅(qū)動。

火星表面大氣稀薄且干燥，大氣環(huán)流復雜多變且隨季節(jié)變化很大，最高風速可達100 m/s，是一種無限的能量來源。索杰納火星車曾使用的安全氣囊系統(tǒng)在火星表面滾動了很長一段距離后才停下來，比索杰納輪式火星車最終獨自完成的移動距離 (共行駛了約90 m) 遠得多[15](見圖7)。受此啟發(fā)，NASA 的工程師們提出了利用風力驅(qū)動仿風滾草探測器開展火星表面著陸巡視一體化探測任務(wù)的設(shè)想 (見圖8)，將著陸緩沖減振和移動功能統(tǒng)一，不受著陸區(qū)域地形的限制，極大地拓展了探測范圍[16]。

圖7 火星探路者著陸藝術(shù)想象圖[15]Fig.7 Artistic imagination of the Mars Pathfinder landing[15]

圖8 仿風滾草探測器在火星表面移動探測想象圖[16]Fig.8 Imagination of the moving detection of prototypes of bionic tumbleweed detector on the surface of the Mars[16]

為了更有效地利用風能并降低驅(qū)動系統(tǒng)的復雜度，研究者們改進了移動機器人的結(jié)構(gòu)及驅(qū)動方式，針對風滾草植物的多分枝疏松結(jié)構(gòu)進行仿生設(shè)計，開發(fā)了許多概念模型，包括 NASA 蘭利研究中心 (Langley Research Center，LaRC) 設(shè)計的 Wedges[15](見圖9 (a))、Box Kite[15](見圖9 (b))、Dandelion[17](見圖9 (c))、Eggbeater Dandelion[18](見圖9 (d))、Tumble-cup (見圖9 (e))、Hamster Ball (見圖9 (f))，德州理工大學 (Texas Tech University) 設(shè)計的 Tumbleweed concepts[19](見圖9 (g))，北卡羅來納州立大學 (North Carolina State University) 提出的籠形探測器[20](見圖9 (h))，以及瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院 (école Polytechnique Fédérale de Lausanne, EPFL) 開發(fā)的一種形狀記憶合金 (SMA) 驅(qū)動仿滾草概念模型 Hardball 和 Softball[21]等。在這些概念模型中，Eggbeater Dandelion 通過32個彈性帶狀支撐結(jié)構(gòu)形成球形包絡(luò)，帶狀支撐結(jié)構(gòu)有一定彈性，相比其他模型具有更好的緩沖減振性能。

圖9 仿生風滾草探測器的概念模型Fig.9 Prototypes of bionic tumbleweed detectors

為了驗證仿風滾草球形機器人的運動性能，NASA 蘭利研究中心進行了動力學仿真和樣機斜坡滾動等試驗；與德州理工大學合作進行了模擬火星表面大氣環(huán)境的風洞試驗；與南加州大學 (University of Southern California)[22]及卡內(nèi)基·梅隆大學 (Carnegie Mellon University)[23]合作進行了仿真分析、試驗平臺測試及沙漠、極地冰蓋等實地測試。分析計算及測試結(jié)果表明，在火星表面的風力條件下，仿風滾草球形機器人具備在火星表面絕大多數(shù)區(qū)域開展移動探測的能力[24]。

仿風滾草風力驅(qū)動球形機器人，質(zhì)量和體積較小，可搭載大型探測器至星球表面上空，從高空大量投放，能夠以任意姿態(tài)在各種地形下著陸，著陸后受到外部風力驅(qū)動，可開展大范圍、長距離的分布式移動探測，而不受攜帶能源有限等問題影響。不過，這種機器人被動地依靠風力驅(qū)動產(chǎn)生滾動運動，存在運動方向及軌跡不可控等問題，攜帶負載的能力也相對有限，需要根據(jù)特定的任務(wù)進行選擇，并且要求探測的星球表面本身能夠提供風能。

2.3 小型跳躍機器人

2.3.1 面向星球探測任務(wù)的小型跳躍機器人

早在20世紀50年代末，Oberth[25]便提出利用小型跳躍機構(gòu)進行星球探測的構(gòu)想。目前，日本在小行星表面移動探測領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平。日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)(Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA) 與東京大學 (University of Tokyo) 聯(lián)合研制的微小型跳躍機器人 MINERVA-I[26]，為正十六角棱柱體構(gòu)型，自重僅0.59 kg，外表面覆蓋太陽能電池板，棱柱體兩端的針刺狀結(jié)構(gòu)起到緩沖減振和保護支撐作用 (見圖10 (a))。2005年，MINERVA-I 搭載“隼鳥”號 (Hayabusa) 探測器在距離絲川小行星 (Itokawa) 表面200 m高度處釋放，計劃采用無源被動的方式著陸，但最終因控制問題未能成功著陸。

2014年，日本發(fā)射了“隼鳥2”號 (Hayabusa2) 龍宮小行星 (Ryugu) 探測器，搭載了3個 自重為1.1 kg的 MINERVA-II[27](見圖10 (b)) 和1個 MASCOT[27-29](見圖10 (c)) 小型跳躍機器人。其中，MASCOT 由德國宇航中心 (Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt，DLR) 和法國空間研究中心 (Centre National d'Etudes Spatiales，CNES) 合作研制，采用立方體鋁合金框架式結(jié)構(gòu)，自重13.5 kg，由鋰電池供電，設(shè)計壽命16 h，框架內(nèi)部安裝了偏置飛輪，通過電機驅(qū)動飛輪產(chǎn)生反作用力實現(xiàn)調(diào)姿和跳躍運動。

圖10 日本研制的小行星探測小型跳躍機器人Fig.10 Small jumping robots for asteroids developed in Japan

2018年9月，兩個 MINERVA-II1 機器人在距離龍宮表面 (重力加速度約為1g/66 500) 約55 m高度釋放，首次實現(xiàn)了小行星表面安全著陸，并返回了在小行星表面拍攝的照片。2018年10月，MASCOT 在距龍宮表面約60 m高度釋放，在11 min內(nèi)經(jīng)過多次反彈并最終成功著陸，此后完成了多次跳躍移動探測任務(wù)。2019年10月，“隼鳥2”號在距離龍宮小行星表面約1 km高度處投放了最后一個 MINERVA-II2 跳躍機器人。

由斯坦福大學 (Stanford University) 的Pavone 主導并聯(lián)合 NASA 和麻省理工學院 (Massachusetts Institute of Technology) 研制的小型跳躍機器人，用于火衛(wèi)一 (Phobos) 等小行星表面著陸巡視探測 (見圖11(a))。該球形跳躍機器人外部布滿“尖刺”，起到緩沖減振、保護支撐和制動作用，內(nèi)部有3個相互正交的飛輪，單次水平跳躍距離約為10 m (火衛(wèi)一表面，重力加速度約為1g/1 600)，但運動精度較低，僅為10%～20%[30]。

為便于加工和運輸，同時受到立方星CubeSate3[31]構(gòu)型的啟發(fā)，斯坦福大學研制的Hedgehog 概念機器人采用立方體8U構(gòu)型，棱邊通過3D打印加工，8個角處的泡沫球和“尖刺”起到保護和碰撞緩沖減振作用，通過在內(nèi)部兩個側(cè)面和底面的三個飛輪的高速轉(zhuǎn)動，提供跳躍的反作用力[32-33](見圖11(b))。該機器人完成了多次模擬微重力環(huán)境的拋物線失重飛行試驗及沙地跳躍逃脫試驗，可在微重力環(huán)境 (0.002g) 中實現(xiàn)滾動、跳躍、旋轉(zhuǎn)和急停制動等動作[34]，能夠應(yīng)對沙地凹坑和凸起障礙物等崎嶇地形。

圖11 Pavone等設(shè)計的小行星探測小型跳躍機器人Fig.11 Small jumping robots for asteroids developed by Pavone team

蘇聯(lián)的 Phobos-2 探測器攜帶的小型跳躍機器人 PROP-F[35]，計劃進行火衛(wèi)一探測。該機器人采用圓柱體構(gòu)型，其中一端為半球體，通過電機驅(qū)動彈簧儲能裝置，被壓縮的儲能彈簧瞬間釋放后產(chǎn)生跳躍運動，落地后姿態(tài)可調(diào)整。但該任務(wù)最終因飛船通信故障而失敗。

美國麻省理工學院設(shè)計的球形跳躍機器人 Microbots[36-37](見圖12(a))，通過球體底部具有高能量密度的絕緣橡膠驅(qū)動四桿機構(gòu)產(chǎn)生跳躍運動。仿真結(jié)果表明，該機器人在火星表面的水平和垂直跳躍距離分別可達1 m和1.5 m，最大起跳頻率為60 次/h。該項目計劃在火星等星球表面的洞穴、地表裂縫等大型探測器難以到達的特殊區(qū)域開展大規(guī)模著陸巡視探測 (見圖12(b))。

圖12 Microbots 及其分布式探測概念示意圖[36]Fig.12 Microbots and their schematic diagram of distributed detection concept[36]

2.3.2 地面用小型跳躍機器人

日本東京工業(yè)大學 (Tokyo Institute of Technology) 的 Tsukagoshi 等[38]研制的兩輪式機器人 Leg-in-Rotor (見圖13 (a))，目前已研制了三代樣機。該機器人在輪軸上安裝了氣泵儲能裝置，在硬地面上能夠跳過1 m高的障礙物，還具有輪式移動系統(tǒng)的快速移動能力，可實現(xiàn)全方位移動。

同樣采用氣泵驅(qū)動，美國波士頓動力公司 (Boston Dynamics) 研制的四輪式跳躍機器人 Sand Flea[39](圖13 (b))，通過輪軸上的氣泵驅(qū)動活塞產(chǎn)生跳躍運動，垂直起跳高度可達7.6 m。Sand Flea的車輪采用蜂窩狀彈性材料，質(zhì)量輕且具有著陸緩沖減振能力，在空中飛行期間利用內(nèi)置陀螺儀保證姿態(tài)穩(wěn)定性。

圖13 地面用小型跳躍機器人Fig.13 Small jumping robots used on earth

瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院 (Eidgen?ssische Technische Hochschule Zürich) 研制的跳躍機器人 Cubli[40]，為立方體構(gòu)型，內(nèi)部利用直流無刷電機驅(qū)動3個陀螺儀內(nèi)的飛輪，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、翻滾移動及制動等動作，通過飛輪高速轉(zhuǎn)動過程中突然制動產(chǎn)生的反作用力實現(xiàn)跳躍，姿態(tài)調(diào)節(jié)能力強，可實現(xiàn)任意一角點處穩(wěn)定著地[41]。

與 Cubli 的原理相似，麻省理工學院 CSAIL 實驗室的 Romanishin 等[42]研制的模塊化立方體跳躍機器人 M-blocks (見圖13 (c))，能夠翻滾、移動和跳躍。此外，M-blocks 的各模塊間可自重構(gòu)為多種構(gòu)型，模塊本身和模塊組合體都具有移動能力。2019年，該實驗室對初始版本的M-blocks進行了改進，通訊系統(tǒng)具有更高的可拓展性，模塊間的自主決策和協(xié)作能力得到進一步提高[43]。

此外，其他地面用小型跳躍機器人也具有良好的跳躍靈活性與著陸姿態(tài)調(diào)整能力，如美國加州大學伯克利分校 (University of California, Berkeley) 研制的夜猴仿生腿式跳躍機器人 Salto[44]，賓夕法尼亞大學 (University of Pennsylvania) 研制的輪式跳躍機器人 RHex Lite[45](翻滾后可自我調(diào)整) (見圖13 (d))；其中，日本千葉工業(yè)大學 (Chiba Institute of Technology) 研制的 QRoSS 跳躍機器人[46](見圖13 (e)) 和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院研制的蚱蜢仿生跳躍機器人[47](見圖13 (f))，在機構(gòu)外部增加柔性籠形保護罩，有效提高了著陸緩沖減振性能。

小型跳躍機器人按照驅(qū)動和運動機理的不同主要可以分為3類：通過自身彈性機構(gòu)、氣動驅(qū)動、飛輪反作用力等方式產(chǎn)生跳躍運動；與傳統(tǒng)輪式、球形等移動機構(gòu)復合并豐富了運動方式。跳躍機器人擁有離散的落地點，運動性能受地形的限制小，單次跳躍可以移動較遠距離，越障及復雜地形適應(yīng)能力強。此外，由于小行星的質(zhì)量和體積小、引力弱且分布不規(guī)則、表面地形復雜多變，導致傳統(tǒng)的輪式等移動系統(tǒng)與地面的摩擦力變得很小，牽引性能無法滿足要求[48]，而小型跳躍機器人卻能夠通過跳躍方式著陸和移動，具有獨特優(yōu)勢。

面向星球表面著陸巡視一體化探測任務(wù)，小型跳躍機器人亟待解決的問題包括：適應(yīng)高空著陸的緩沖減振機構(gòu)及材料的開發(fā)；提高起跳角度、方向和距離控制的精確性，以更好適應(yīng)復雜地形；連續(xù)起跳前的重心或姿態(tài)調(diào)整能力；能量的存儲與釋放技術(shù)，并提高能源利用效率。

2.4 張拉整體機器人

張拉整體結(jié)構(gòu)是由數(shù)個彼此分離的受壓構(gòu)件和連續(xù)的受拉構(gòu)件相互連接而成自應(yīng)力平衡的穩(wěn)定空間結(jié)構(gòu)。1948年，F(xiàn)uller等[49]首次提出“張拉整體” (Tensegrity) 一詞，其后，Pugh[50]、Motro[51]、Roth[52]、Connelly[53]等學者分別從各自角度給出了定義。張拉整體結(jié)構(gòu)按照節(jié)點處受壓構(gòu)件的數(shù)量可分為不同的類型，為簡化結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，絕大多數(shù)采用節(jié)點處為單個受壓構(gòu)件的 I 類張拉整體結(jié)構(gòu)。

在自然界中有不少動物具有極高的身體柔韌性，如美洲豹在捕獵期間能夠經(jīng)受住從懸崖上跌落后著地的沖擊力。而張拉整體結(jié)構(gòu)同樣兼具剛性結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)的特點，既可以通過對結(jié)構(gòu)施加一定的張緊力使整體結(jié)構(gòu)不至垮塌，又具有良好的柔性以吸收碰撞沖擊。張拉整體機器人在該結(jié)構(gòu)上增加了主動的驅(qū)動力，通過自身形變改變重心位置從而實現(xiàn)移動，具有質(zhì)量輕、可折疊等特點，可有效減小儲運體積，便于在星球表面開展大規(guī)模的著陸巡視一體化探測，不受著陸地形的限制。

目前，張拉整體機器人的驅(qū)動方式主要有智能材料驅(qū)動和電機驅(qū)動兩種，驅(qū)動機構(gòu)分為桿驅(qū)動、索驅(qū)動和混合驅(qū)動，其中大部分采用索驅(qū)動。國外的研究機構(gòu)在張拉整體機器人找形、拓撲結(jié)構(gòu)分析、靜/動力學和控制等理論及應(yīng)用方面開展了廣泛而深入的研究 (見表2)[54-72]。

3桿9索構(gòu)型為最簡單的張拉整體機器人，僅能實現(xiàn)最基本的滾動運動，運動效率低且減振性能差。然而桿和索的數(shù)量過多又會導致機器人的結(jié)構(gòu)和控制過于復雜。不少學者基于6壓桿構(gòu)型開展了大量研究，其構(gòu)型為平面對稱的二十面體，是接近球體結(jié)構(gòu)中最簡單的形式，具有良好的緩沖減振和移動性能，主要有滾動和蠕動兩種步態(tài)，在相對平坦的地形中，滾動步態(tài)移動速度快，蠕動步態(tài)則移動效率較低；但在斜坡等地形中采用蠕動步態(tài)的運動更加穩(wěn)定。

表2 國外研制的張拉整體機器人Table 2 Tensegrity robots developed abroad

日本立命館大學 (Ritsumeikan University) 的Shibata 和Hirai[54]研制的6壓桿張拉整體機器人，采用24根形狀記憶合金 (SMA) 線圈驅(qū)動，剛性壓桿為亞克力空心管；橡皮筋作為被動拉索提供結(jié)構(gòu)張緊力，能夠完成基本的滾動運動。Hirai 和 Imuta[55]研制的另一款6壓桿張拉整體機器人，執(zhí)行機構(gòu)采用24根 McKibben 氣動人工肌肉。

動物的肌肉骨骼系統(tǒng)類似于一種張拉結(jié)構(gòu)，柔性的肌肉、肌腱和筋膜相當于繩索，堅硬的骨骼類似于剛性壓桿。受此啟發(fā)，美國加州大學圣地亞哥分校的王志堅等[56]研制了微小型6桿24索張拉整體機器人，柔性繩索采用液晶彈性體 (Liquid Crystal Elastomer，LCE) 和碳納米管 (Carbon Nano-metre Tube，CNT) 組成的人工肌肉復合纖維。其中，液晶彈性體是一種能夠?qū)⑵浞肿咏Y(jié)構(gòu)直接地轉(zhuǎn)化為宏觀形狀且變形可逆的材料[57]，受到紅外光照射升溫并產(chǎn)生收縮，最大收縮比可達40.5%，驅(qū)動單根繩索，即可精確控制運動。該機器人的最大載荷自重比達7.5，顯著優(yōu)于大多數(shù)現(xiàn)有的機器人，在平坦硬地面、細沙地、石子路面等多種非結(jié)構(gòu)化地形均具有良好運動性能。

同樣采用智能材料驅(qū)動，韓國成均館大學(Sungkyunkwan University) 的 Chung等[58]開展了基于扭轉(zhuǎn)預應(yīng)變形狀記憶合金 (電流驅(qū)動) 驅(qū)動的張拉整體機器人研究，研制的機器人樣機能實現(xiàn)快速滾動和跳躍運動。

NASA 在張拉整體機器人研究領(lǐng)域最具代表性，主要采用電機驅(qū)動。從2011年開始，艾姆斯研究中心 (Ams Research Center) 開展了張拉整體機器人研究，計劃在土衛(wèi)六 (Titan) 表面 (有大氣層和甲烷湖泊及沙丘等) 進行大規(guī)模高空投放，機器人由扁平折疊狀態(tài)展開成球狀，通過自身形變緩和著陸沖擊，著陸后開展移動探測[60](見圖14)。預計著陸速度為15 m/s (Titan表面)，相當于從地球表面10 m高度自由跌落的著地速度。

圖14 張拉整體機器人高空投放及分布式探測示意圖[60]Fig.14 Schematic diagram of high altitude launching and distributed detection of tensegrity robots[60]

在 NASA 資助下，比利時根特大學 (Ghent University) 的 Caluwaerts[61]研制的ReCTeR (Reservoir Compliant Tensegrity Robot) 概念樣機，外形近似于球體，可折疊成扁平狀 (見圖15(a))，為欠驅(qū)動系統(tǒng)，在6個低功率直流電機 (4.5 W) 驅(qū)動下改變線性彈簧拉索長度使機器人折疊、展開和滾動。該機器人的壓桿端部安裝了力敏電阻傳感器，反饋與地面間的作用力；張力彈簧安裝了力傳感器，反饋驅(qū)動力。該機器人通過了地面1 m 高度的自由跌落著陸試驗。

圖15 NASA 牽頭研制的張拉整體機器人Fig.15 Tensegrity robots developed by NASA

在創(chuàng)新先進概念計劃 (NIAC) 的資助下，NASA 領(lǐng)導研制了面向星球探測應(yīng)用的SUPERball (Spherical Underactuacted Planetary Exploration Robot) 張拉整體機器人 (見圖15 (b))，由 Bruce[62](加州大學圣克魯茲分校 (University of California, Santa Cruz)) 和 Sabelhaus[63](加州大學伯克利分校) 等負責機械和電子系統(tǒng)設(shè)計，Iscen[64](俄勒岡州立大學 (Oregon State University)) 和 Despraz (瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院) 等完成控制系統(tǒng)設(shè)計和動力學仿真。該機器人同樣為欠驅(qū)動系統(tǒng) (12個無刷直流電機驅(qū)動)，壓桿末端安裝應(yīng)變片式力傳感器用于檢測驅(qū)動繩索和被動繩索的受力。利用 NASA 開發(fā)的專用仿真軟件 NTRT (NASA Tensegrity Robotic Toolkit) 完成了張拉整體機器人簡化模型的仿真分析，并進行了樣機10 m高度自由跌落試驗，機器人著陸調(diào)整后能進行滾動運動[65]。

同樣采用電機驅(qū)動，加州大學伯克利分?？臻g張力實驗室 (Berkeley Emergent Space Tense-grities Lab) Agogino 團隊的 Kim 等[66-69]設(shè)計了6壓桿構(gòu)型的 TT-1 (見圖16 (a))、TT-2 (見圖16 (b))、TT-3 (見圖16 (c)) 和12壓桿構(gòu)型的T12-R (見圖16 (d)) 等張拉整體機器人。其中，TT-1 和 TT-2 的壓桿分別采用木質(zhì)和玻璃纖維材料，通過24個線性驅(qū)動器 (替代繩索) 的伸縮使機器人變形移動。線性驅(qū)動器能產(chǎn)生較大的驅(qū)動力，但同時也使得機器人的結(jié)構(gòu)剛度變大，導致緩沖減振性能降低。TT-3 增加了氮氣推進器使機器人能夠產(chǎn)生跳躍運動，壓桿中間為3D打印而成的“膠囊”狀中空圓柱，將電機等電子器件均安裝在桿內(nèi)。仿真分析結(jié)果表明，TT-3 的最大跳躍高度可達200 m。T12-R 為平面對稱的菱方八面體結(jié)構(gòu)，其運動軌跡為直線，相比6壓桿構(gòu)型的“之”字形滾動軌跡，能量利用效率更高，移動速度更快，不過結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)也更加復雜。

Agogino 團隊的 Chen 等[70-71]設(shè)計的 TT-4mini張拉整體機器人，電機固定在壓桿中間位置，控制器等硬件安裝在結(jié)構(gòu)的幾何中心 (見圖16 (e))。仿真結(jié)果表明，采用雙線纜交替驅(qū)動時，該機器人的最大爬坡角度可達26° (SUPERball 為11.3°)。

2019年，Agogino 將張拉整體機器人應(yīng)用于災難救援。在測試中，該機器人通過無人機攜帶從高于180 m的高空投擲到石堆中，著陸后能夠立即在周圍崎嶇地形環(huán)境中開展移動勘測并傳回數(shù)據(jù) (見圖16 (f))。

圖16 Agogino 團隊研制的張拉整體機器人[66-71]Fig.16 Tensegrity robots developed by Agogino team[66-71]

國內(nèi)在張拉整體機器人研究領(lǐng)域的起步較晚，但近年來不少研究機構(gòu)在相關(guān)基礎(chǔ)理論和樣機研制與試驗方面取得了積極進展[73-76]。中國科學院沈陽自動化研究所(SIA)基于6桿24索張拉整體機器人構(gòu)型，先后研制了兩代樣機。第一代樣機采用24根氣動人工肌肉 (FESTO) 作為拉伸執(zhí)行機構(gòu)，以壓縮空氣為動力源，自重2.8 kg (見圖17 (a))。該機器人能夠在平坦硬地面實現(xiàn)簡單的滾動和蠕動運動[77-78]。

為實現(xiàn)張拉整體機器人的連續(xù)運動，項目組開發(fā)了第二代電機驅(qū)動原理樣機[79](見圖17 (b))，自重7.7 kg，壓桿采用中空的圓柱體狀結(jié)構(gòu)，壓桿兩端為方形殼體，內(nèi)部集成了驅(qū)動舵機、干電池和控制系統(tǒng)等元件，拉索由繩索和張拉彈簧通過中間的動滑輪連接而成以增大輸出力；方形殼體外端為半球狀泡沫。該機器人能夠產(chǎn)生連續(xù)的變形滾動步態(tài)，同時基于遺傳算法實現(xiàn)了蠕動運動步態(tài)的精確控制。

圖17 沈陽自動化研究所研制的張拉整體機器人[77-79]Fig.17 Tensegrity robots developed by SIA[77-79]

針對本節(jié)中分析的張拉整體機器人在著陸和滾動過程中容易造成壓桿磨損或損壞等情況，可采用在壓桿端部固定鋼球或球狀硅膠保護罩等措施，增加節(jié)點強度和摩擦系數(shù)。國內(nèi)外研制的張拉整體機器人，采用電機驅(qū)動繩索產(chǎn)生形變運動的居多，控制方法相對成熟，但樣機相對較重；而采用智能材料驅(qū)動的張拉整體機器人，可有效降低機器人本體的質(zhì)量和體積。不過，形狀記憶合金和人工肌肉等為強非線性系統(tǒng)，存在驅(qū)動響應(yīng)速度低、伸縮驅(qū)動力小、難以實現(xiàn)精確的位置及速度控制等諸多共性難題亟待解決。此外，采用氣動人工肌肉驅(qū)動的張拉整體機器人，存在驅(qū)動設(shè)備外置等缺陷，在樣機變形滾動試驗中不可避免地發(fā)生軟管纏繞等問題并阻礙連續(xù)運動，因此，只有實現(xiàn)氣動裝置的微型化并集成內(nèi)置才能有效解決這一問題。

3 結(jié)論與展望

本文對著陸巡視一體化探測機器人的研究進展進行了總結(jié)論述，面向不同星體表面的著陸巡視一體化探測，應(yīng)根據(jù)探測機器人的特點和任務(wù)需求選擇特定的類型 (表3)。此外，不局限于上文中總結(jié)的4類，還包括如 NASA 研制的可拋擲輪式機器人 PUFFER[80]等，面向洞穴等特殊地形的星球探測任務(wù)。它們的共同特點是都具備高空著陸緩沖減振功能和復雜地形環(huán)境適應(yīng)能力，滿足著陸巡視一體化任務(wù)需求。

表3 著陸巡視一體化機器人分類及性能比較Table 3 Classification and performance comparison of integrated landing and moving robots

近年來，以美國為代表的各航天強國在深空探測領(lǐng)域不斷取得突破性進展的同時，積極拓展新型的星球表面探測方式，研制了多種具備著陸巡視一體化功能的探測機器人。中國也提出了相關(guān)技術(shù)研究的迫切需求[81]。當前，著陸巡視一體化機器人的研究尚處于起步階段，隨著人類探索宇宙的距離更加遙遠，任務(wù)更加多樣化，星球表面探測器將逐漸由功能單一向功能多樣化的方向發(fā)展。因此，著陸巡視一體化機器人是未來深空探測領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢。

未來有待于進一步深入研究的難題及可能的解決途徑總結(jié)如下：

1) 著陸緩沖減振技術(shù)。探測移動機器人通過自身彈性機構(gòu)緩和沖擊，著陸變形調(diào)整后可直接開展巡視探測。應(yīng)拓展大多傳統(tǒng)腿式著陸器采用的多孔蜂窩、薄壁金屬管等一次性緩沖器的方式，開展適應(yīng)星球表面苛刻環(huán)境的抗沖擊柔性機構(gòu)和智能材料研究。

2) 復雜非結(jié)構(gòu)化地形下的運動能力。為適應(yīng)星球表面低重力、氣候惡劣和地形苛刻等特殊環(huán)境，探測機器人應(yīng)具有良好的越障性、運動靈活性和附著牽引性能，除大型腿式機器人外 (著陸姿態(tài)及地形要求高)，其他小型探測機器人應(yīng)能夠以任意姿態(tài)著陸后具備自主調(diào)整和運動恢復能力，著陸地點及移動區(qū)域不受地形的限制。

3) 多機器人系統(tǒng)分布式協(xié)同探測。采用單一的移動機器人進行探測，作業(yè)能力有限，并且存在高風險和高不確定性等問題，一旦遭遇系統(tǒng)故障或者損壞，探測任務(wù)就可能提前終止。為提高探測任務(wù)的可靠性和作業(yè)范圍，有必要開展多機器人系統(tǒng)分布式協(xié)同探測，綜合利用人工智能算法等手段，解決多機器人系統(tǒng)任務(wù)和運動軌跡規(guī)劃等問題，使得單次任務(wù)便能夠?qū)崿F(xiàn)多個探測目標。