孫俊凱 孫澤洲 辛鵬飛，3 劉 賓，3 危清清，3 閆楚良

1.吉林大學(xué)機(jī)械與航空航天工程學(xué)院，長(zhǎng)春，130025 2.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京，1000943.空間智能機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100094

0 引言

作為航天活動(dòng)重要領(lǐng)域之一的深空探測(cè)，以月球及更遠(yuǎn)星球?yàn)樘綔y(cè)對(duì)象，開(kāi)展飛越、環(huán)繞、硬著陸、軟著陸、無(wú)人采樣返回、載人探測(cè)等多種形式的探測(cè)活動(dòng)[1]，對(duì)研究太陽(yáng)系乃至宇宙起源、開(kāi)發(fā)空間環(huán)境資源、尋找地外生命等具有重要意義[2]。自20世紀(jì)50年代蘇聯(lián)發(fā)射世界第一個(gè)月球探測(cè)器——“月球1號(hào)”以來(lái)，世界各國(guó)共進(jìn)行了200余次深空探測(cè)活動(dòng)。進(jìn)入21世紀(jì)后，世界主要航天大國(guó)更是紛紛制定了新的深空探測(cè)發(fā)展戰(zhàn)略[3]，深空探測(cè)再一次成為世界關(guān)注的熱點(diǎn)。由于著陸探測(cè)能夠?qū)嵉孬@取星球信息、開(kāi)展原位分析研究工作，故著陸探測(cè)成為多數(shù)探測(cè)任務(wù)的主要探測(cè)形式[4]。為了降低成本與風(fēng)險(xiǎn)，著陸探測(cè)初期往往采用探測(cè)機(jī)器人代替宇航員對(duì)星球進(jìn)行著陸以及取樣探測(cè)[5]。著陸探測(cè)機(jī)器人的性能對(duì)整個(gè)深空探測(cè)任務(wù)具有極大的影響[6]。

為進(jìn)行星球著陸探測(cè)任務(wù)，世界主要航天大國(guó)提出了多種著陸探測(cè)機(jī)器人，獲得了豐碩的研究成果。依照移動(dòng)方式，著陸探測(cè)機(jī)器人可以分為輪式與足式兩種[7-8]。目前實(shí)際應(yīng)用的星球著陸探測(cè)機(jī)器人多采用輪式結(jié)構(gòu)，如中國(guó)的“玉兔號(hào)”月球車(chē)、美國(guó)的“勇氣號(hào)”[9]與“好奇號(hào)”火星車(chē)[10]。輪式探測(cè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，在相對(duì)平坦的地形中運(yùn)動(dòng)速度較快，但越障能力偏低。

現(xiàn)階段探測(cè)區(qū)域多局限于平坦地形，如月球探測(cè)區(qū)域多集中于月海等，對(duì)崎嶇地形處的探測(cè)相對(duì)有限[11]。隨著深空探測(cè)任務(wù)的深入，更加具有科學(xué)探測(cè)價(jià)值的地區(qū)逐漸變成探測(cè)重點(diǎn)，如可能存在水冰的月球南極陰影區(qū)[12]，但此類(lèi)地區(qū)地形復(fù)雜，依靠輪式探測(cè)機(jī)器人難以完成探測(cè)。相對(duì)而言，足式探測(cè)機(jī)器人可以通過(guò)步態(tài)變化適應(yīng)復(fù)雜多變地形，其地形適應(yīng)能力相對(duì)較強(qiáng)，這對(duì)擴(kuò)大探測(cè)范圍具有重要意義[13]。

足式結(jié)構(gòu)機(jī)器人可以分為純足式結(jié)構(gòu)與輪足復(fù)合結(jié)構(gòu)兩種。多數(shù)輪足復(fù)合結(jié)構(gòu)以足式結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過(guò)在足端安裝輪子實(shí)現(xiàn)足式結(jié)構(gòu)與輪式結(jié)構(gòu)的融合。然而，足式機(jī)器人普遍結(jié)構(gòu)復(fù)雜[14-15]，造成控制困難、可靠性較低等問(wèn)題[16]，導(dǎo)致其遲遲無(wú)法在實(shí)際深空探測(cè)任務(wù)中應(yīng)用。

針對(duì)深空著陸探測(cè)中復(fù)雜地形探測(cè)特點(diǎn)，世界主要航天大國(guó)與組織提出了多種深空著陸探測(cè)足式機(jī)器人。本文首先介紹了美國(guó)、歐洲與中國(guó)面向深空著陸探測(cè)任務(wù)的足式機(jī)器人的研究現(xiàn)狀；然后對(duì)比分析了不同機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)，歸納了足式機(jī)器人在現(xiàn)階段深空著陸探測(cè)無(wú)法走向工程化的問(wèn)題；最后總結(jié)了深空著陸探測(cè)足式機(jī)器人未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，為足式機(jī)器人在深空著陸探測(cè)領(lǐng)域的工程應(yīng)用提供參考。

1 中美歐深空著陸探測(cè)足式機(jī)器人的發(fā)展

1.1 美國(guó)

1.1.1Ambler機(jī)器人

Ambler機(jī)器人是由美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)與噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室于1988-1991年間聯(lián)合研制的星球探測(cè)六足機(jī)器人，如圖1所示[17-18]。Ambler機(jī)器人的每條腿均為直角坐標(biāo)式腿，借助腿內(nèi)齒條調(diào)節(jié)機(jī)體豎直方向位置，以此跨越障礙[19]。Ambler機(jī)器人長(zhǎng)約3.5 m，寬約4.5 m，高度可在4.1～6.0 m內(nèi)調(diào)節(jié)，最大能夠跨越1.5 m壕溝[20]。該機(jī)器人重約2050 kg，可以負(fù)重約1100 kg[21]。

圖1 Ambler 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)[17]

Ambler機(jī)器人通過(guò)任務(wù)控制架構(gòu)整合子系統(tǒng)，操作人員根據(jù)中心任務(wù)控制器采集到的步態(tài)規(guī)劃模塊、腿部恢復(fù)模塊、地形感知模塊等信息，利用實(shí)時(shí)控制器控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)[22]。Ambler機(jī)器人通過(guò)搭載的激光雷達(dá)、力傳感器、位姿傳感器構(gòu)建周邊地形的三維圖，以此為基礎(chǔ)規(guī)劃?rùn)C(jī)器人運(yùn)動(dòng)。此外，機(jī)器人的傳感系統(tǒng)還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人姿態(tài)，從而輔助自身姿態(tài)調(diào)節(jié)，以保持穩(wěn)定[23]。限于當(dāng)時(shí)技術(shù)水平，該機(jī)器人僅能采用有限步態(tài)模式完成相對(duì)簡(jiǎn)單的任務(wù)，難以適應(yīng)星球表面復(fù)雜多變的環(huán)境，其實(shí)際工程應(yīng)用的前景受到了明顯限制。

1.1.2DanteⅡ機(jī)器人

DanteⅡ是由美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)在1994年研制的一款用于星球探測(cè)任務(wù)的八足機(jī)器人，如圖2所示[24]。機(jī)器人整體尺寸約3.7 m×2.3 m×3.7 m，自重770 kg，載重約130 kg，水平地面越障高度達(dá)到了1.3 m。

圖2 Dante Ⅱ火山實(shí)驗(yàn)[24]

Dante Ⅱ機(jī)器人搭載了一對(duì)立體相機(jī)、兩軸激光掃描儀與力傳感器，用以感知環(huán)境與自身信息，為工作人員控制機(jī)器人提供參考[25]。Dante Ⅱ機(jī)器人系統(tǒng)最關(guān)鍵的部件當(dāng)屬長(zhǎng)300 m的機(jī)載電纜，電纜一端連接基站處的錨點(diǎn)，一端連接機(jī)器人。機(jī)器人處于斜坡時(shí)電纜拉緊以保持機(jī)器人穩(wěn)定，并能夠減小機(jī)器人腿部受力[26]。通過(guò)此種方式，機(jī)器人能夠在最大傾角為30°的斜面保持穩(wěn)定，并能跨越1 m障礙。但受制于電纜，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向必須與電纜方向保持一致，這極大限制了機(jī)器人探測(cè)范圍。

在火山探測(cè)實(shí)驗(yàn)中，Dante Ⅱ機(jī)器人通過(guò)基站與電纜，可以穩(wěn)定接收120 km以外工作人員發(fā)出的指令，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)運(yùn)動(dòng)[27-30]，但是機(jī)器人能源供給與控制命令的獲取過(guò)度依賴(lài)于通過(guò)電纜相連的基站，無(wú)法通過(guò)自身設(shè)備直接與遠(yuǎn)程控制人員傳輸數(shù)據(jù)，增加了探測(cè)所需成本，極大限制了機(jī)器人探測(cè)距離。

1.1.3Athlete機(jī)器人

美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)計(jì)劃在2024年重新實(shí)現(xiàn)載人探月，并將建立永久月球基地。為了在此之前通過(guò)巡視器完成選址與資源勘探等任務(wù)，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室于2005年研制了全地形六足地外探測(cè)器Athlete的第一代樣機(jī)SDM，其底盤(pán)采用六邊形結(jié)構(gòu)，如圖3所示。該機(jī)器人底盤(pán)每條邊配置一條六自由度的機(jī)械腿，機(jī)械腿末端處安裝有驅(qū)動(dòng)輪，一側(cè)可快速連接不同作業(yè)工具[31-33]。SDM 自重約800 kg，地面重力條件下能夠負(fù)重300 kg。其蹲姿高度為0.5 m，行進(jìn)時(shí)高度可達(dá)2 m。SDM采用輪式移動(dòng)時(shí)可在15°斜坡上運(yùn)動(dòng)，而足式移動(dòng)時(shí)可在35°斜坡上運(yùn)動(dòng)。

圖3 Athlete SDM 攀爬懸崖[31]

2009年，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室成功研制了Athlete機(jī)器人的第二代樣機(jī)T12。如圖4所示，T12由兩個(gè)三足機(jī)器人對(duì)接組成，每條腿具有7個(gè)自由度，使之能夠滿(mǎn)足更多工作要求[34-38]。T12不僅具有SDM的全部功能，而且運(yùn)動(dòng)更加靈活，負(fù)重能力更強(qiáng)。T12結(jié)構(gòu)尺寸更大，蹲姿高度提高到1.1 m，行進(jìn)高度則達(dá)到6.4 m，越障能力顯著提高。此外，T12地面重力條件下能夠負(fù)重約500 kg，但其自重達(dá)1440 kg，負(fù)重相比第一代樣機(jī)略有下降。

圖4 Athlete T12 卸載貨物[35]

為便于遙操作及自主運(yùn)行管理，T12上搭載了許多子系統(tǒng)，例如動(dòng)力源系統(tǒng)、計(jì)算系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等。T12利用15個(gè)立體測(cè)繪相機(jī)獲得周?chē)匦苇h(huán)境的全景圖像，圖像經(jīng)處理后形成探測(cè)器周邊的三維虛擬地形環(huán)境。控制器以此為參照規(guī)劃探測(cè)器運(yùn)動(dòng)，使得T12的自主運(yùn)動(dòng)能力得到了極大的提升。

1.2 歐洲

1.2.1SpaceClimber機(jī)器人

2010年，德國(guó)人工智能研究中心研制了一款仿昆蟲(chóng)六足機(jī)器人SpaceClimber，其主要功能是探測(cè)月球表面環(huán)形山，如圖5所示[39-40]。整機(jī)重約23kg，具有26個(gè)自由度，機(jī)身可以沿縱向與橫向進(jìn)行直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，并能實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)向速度7°/s的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。

圖5 SpaceClimber處于模擬月球環(huán)形山環(huán)境[39]

SpaceClimer機(jī)器人的六條腿分布于機(jī)身兩側(cè)，兩前腿安裝于前部機(jī)身，四條后腿安裝于后部機(jī)身。機(jī)身前部相對(duì)較小，搭載了pico-ITX PC板以及兩個(gè)力/力矩傳感器控制板[41-42]。機(jī)身后部為主要電子設(shè)備安裝部位，搭載了中心控制板、四個(gè)力/力矩傳感器控制板、慣性測(cè)量單元、Ethernet 交換機(jī)、無(wú)線(xiàn)通信模塊、能源供給測(cè)量板、七個(gè)繼電器以及鋰電池等。

SpaceClimber控制系統(tǒng)仿照生物控制系統(tǒng)，綜合了姿態(tài)控制模塊、中心模式發(fā)生器(CPG)以及反射控制模式。姿態(tài)控制模塊主要通過(guò)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器計(jì)算期望關(guān)節(jié)角度，控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，以保持機(jī)器人姿態(tài)。中心模式發(fā)生器主要用于生成節(jié)律運(yùn)動(dòng)，保持機(jī)器人運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性。反射控制模式主要分為障礙修正反射以及升降反射。障礙修正反射用于緩沖機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中腿部與障礙的碰撞，升降反射用于保持著地相期間機(jī)器人足端時(shí)刻觸地。由于反射控制模式持續(xù)處理機(jī)器人狀態(tài)信息，機(jī)器人可以對(duì)地形變化、外界擾動(dòng)等快速做出響應(yīng)，有效提高了機(jī)器人地形適應(yīng)能力[43]。

1.2.2Rimres機(jī)器人

德國(guó)宇航中心于2012年提出了可重構(gòu)多機(jī)器人月面探測(cè)系統(tǒng)的概念，旨在通過(guò)重構(gòu)滿(mǎn)足月面探測(cè)多任務(wù)要求。以此為基礎(chǔ)，面向月球南極地區(qū)水冰探測(cè)任務(wù)，德國(guó)人工智能中心研制了由四輪機(jī)器人Sherpa與六足機(jī)器人Crex組成的機(jī)器人系統(tǒng)Rimres，Sherpa與Crex可以獨(dú)立工作，也可以通過(guò)接口連接協(xié)同工作。Sherpa機(jī)器人整機(jī)重約160 kg，構(gòu)型如圖6所示。Sherpa機(jī)器人可以通過(guò)機(jī)體上的機(jī)械臂根據(jù)任務(wù)要求選擇裝配負(fù)載。此外機(jī)械臂還能作為第五條腿，輔助機(jī)器人攀爬障礙等。Sherpa機(jī)器人可以利用主動(dòng)懸掛系統(tǒng)調(diào)節(jié)重心投影與支撐區(qū)域投影的關(guān)系，并根據(jù)地形選擇機(jī)體運(yùn)動(dòng)模式，例如平面全方向移動(dòng)、爬行運(yùn)動(dòng)等。如圖7所示，六足機(jī)器人Crex以SpaceClimber機(jī)器人為基礎(chǔ)，主要用于翻越地形障礙，進(jìn)行月面環(huán)形山等崎嶇地形的探測(cè)，整機(jī)重約27 kg[44-46]。

圖6 Sherpa借助主動(dòng)懸架攀登障礙[44]

圖7 Crex模擬撞擊坑實(shí)驗(yàn)[44]

Sherpa機(jī)器人通過(guò)機(jī)電接口(Electromechanical Interface，EMI)攜帶Crex機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人間數(shù)據(jù)的傳輸。此外，EMI還能夠連接模塊化載荷，如電池模塊、科學(xué)探測(cè)儀器模塊等，從而適應(yīng)多種科學(xué)探測(cè)任務(wù)需要，這極大地提高了Sherpa機(jī)器人系統(tǒng)的可重構(gòu)能力。如圖8所示，EMI通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)閂鎖機(jī)構(gòu)主動(dòng)部分，完成機(jī)器人與載荷設(shè)備機(jī)械連接。此外，EMI還獨(dú)立安裝了控制電路板，控制閂鎖機(jī)構(gòu)以及照明LED燈。完成連接后，控制器能夠建立局部信息交流通道，獲取機(jī)器人姿態(tài)結(jié)構(gòu)信息，并傳輸相應(yīng)高級(jí)控制指令。

1.閂鎖機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī) 2.閂鎖機(jī)構(gòu)主動(dòng)部分 3.輔助定位銷(xiāo) 4.電子連接模塊

如圖9所示，2018年，德國(guó)宇航中心發(fā)布了Sherpa TT機(jī)器人，整機(jī)重約166 kg，可承載80 kg，其整機(jī)具有26個(gè)自由度，能夠跨越0.772 m的障礙，最大運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)0.7 m/s，陡峭地形運(yùn)動(dòng)平均功率約250 W。Sherpa TT搭載了雷達(dá)、力傳感器、高度傳感器、相機(jī)、激光掃描儀等設(shè)備，能夠更加全面地感知地形環(huán)境以及自身姿態(tài)信息。Sherpa TT的控制系統(tǒng)主要分為三層：高層控制利用機(jī)載電腦實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航與控制；中層控制同樣在機(jī)載電腦上運(yùn)行，主要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制以及主動(dòng)懸架調(diào)節(jié)；底層控制通過(guò)微型處理器實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)控制以及傳感器信息預(yù)處理[47]?；谧愣肆π畔⒁约皺C(jī)體俯仰角、滾轉(zhuǎn)角信息，Sherpa TT能夠完成斜面地形主動(dòng)適應(yīng)、支撐區(qū)域內(nèi)重心豎直方向提升、機(jī)體俯仰角與滾轉(zhuǎn)角主動(dòng)調(diào)節(jié)等任務(wù)，在松軟的沙土地形中適應(yīng)性良好[48]。Sherpa TT雖然能夠依靠高層控制實(shí)現(xiàn)部分自主控制，但其智能水平相對(duì)較低，主要依靠人工決策結(jié)合中層、底層控制模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制。

圖9 Sherpa TT沙漠環(huán)境實(shí)驗(yàn)[47]

1.2.3Charlie機(jī)器人

2016年，德國(guó)人工智能研究中心仿照黑猩猩的運(yùn)動(dòng)方式，設(shè)計(jì)了一種月球探測(cè)機(jī)器人Charlie，如圖10所示[49]。整機(jī)重約21.5 kg，具有36個(gè)自由度，最大運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)0.27 m/s[50]。

(a)四足姿態(tài) (b)兩足姿態(tài)

Charlie機(jī)器人能夠在兩足和四足運(yùn)動(dòng)模式間自由切換以適應(yīng)不同地形。機(jī)器人四足模式轉(zhuǎn)換成兩足模式時(shí)，首先收攏后腿，隨后借助脊柱向后移動(dòng)重心至重心投影位于后腿支撐區(qū)域內(nèi)時(shí)停止，最后提高機(jī)體重心，使前臂與地面分離，實(shí)現(xiàn)四足至兩足切換。機(jī)器人兩足模式切換四足模式時(shí)，首先彎曲膝蓋和脊柱，右側(cè)前臂先觸地，隨后調(diào)整重心，左側(cè)前臂著地，完成兩足至四足切換。

Charlie機(jī)器人采用分層控制系統(tǒng)，其中決策層作為最高層，根據(jù)機(jī)器人四足或兩足姿態(tài)選擇相應(yīng)控制模式；其次為反應(yīng)層，主要計(jì)算各關(guān)節(jié)角度以控制機(jī)器人位置與姿態(tài)，此外反應(yīng)層還根據(jù)足端傳感器信息計(jì)算機(jī)器人足端支撐區(qū)域，據(jù)此調(diào)整機(jī)器人以保證其穩(wěn)定性；底層控制完成單個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制以及傳感器信息的預(yù)處理。

為了提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)中軌跡跟蹤與保持穩(wěn)定的性能，控制系統(tǒng)中應(yīng)用了局部控制環(huán)(local control loop)對(duì)運(yùn)動(dòng)中的干擾力做出補(bǔ)償，并根據(jù)補(bǔ)償量適當(dāng)修改期望軌跡，使機(jī)器人能在小帶寬、低能耗情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾力的快速響應(yīng)。局部控制環(huán)還能持續(xù)傳輸傳感器信息，提高了機(jī)器人控制系統(tǒng)決策的合理性及計(jì)算精確性[51]。

1.2.4Spacebok機(jī)器人

Spacebok是由瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH Zurich)和蘇黎世應(yīng)用科技大學(xué)于2018年聯(lián)合研制的彈跳式六足機(jī)器人，如圖11所示，其主要設(shè)計(jì)用途是在月球或小行星等低重力星體上進(jìn)行科學(xué)探測(cè)[52]。機(jī)器人髖關(guān)節(jié)高度約0.5 m，重約20 kg。Spacebok機(jī)器人使用高功率密度的力矩電機(jī)作為主動(dòng)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元，關(guān)節(jié)處安裝行星減速齒輪箱，減速比為9.55，當(dāng)電機(jī)工作電流30 A時(shí)最大輸出轉(zhuǎn)矩可達(dá)39.5 N·m。這種設(shè)計(jì)不僅能夠簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，減小驅(qū)動(dòng)單元質(zhì)量，而且近似直接驅(qū)動(dòng)的配置使關(guān)節(jié)力矩信息可以直接通過(guò)電流精確計(jì)算獲得。Spacebok機(jī)器人安裝了被動(dòng)緩沖機(jī)構(gòu)，利用彈簧降低機(jī)器人著地的沖擊，同時(shí)為下次起跳儲(chǔ)存能量，降低關(guān)節(jié)起跳時(shí)電機(jī)功耗。在模擬月球重力條件下，機(jī)器人連續(xù)跳躍高度可達(dá)0.9 m，單次跳躍最大高度可達(dá)1.3 m[53]。

圖11 Spacebok 在ETH Zurich測(cè)試[52]

機(jī)器人控制系統(tǒng)主要分為狀態(tài)估計(jì)器、高層控制器與底層控制器三部分。狀態(tài)估計(jì)器從底層控制器得到電機(jī)以及編碼器信息，并從機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS獲得慣性測(cè)量單元(inertial measurement unit，IMU)信息，以此估計(jì)機(jī)器人狀態(tài)。高層控制器結(jié)合輸入控制指令與機(jī)器人狀態(tài)信息計(jì)算驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)期望力矩。底層控制器借助EtherCAT網(wǎng)絡(luò)與電機(jī)通信，控制電機(jī)速度以及力矩等。在運(yùn)動(dòng)控制方面，Spacebok機(jī)器人通過(guò)虛擬模型控制器實(shí)現(xiàn)了多種靜態(tài)步行的控制。機(jī)器人腿部處于空中相時(shí)僅使用簡(jiǎn)單足端位置控制器；處于著地相時(shí)，則通過(guò)虛擬模型計(jì)算應(yīng)該施加在機(jī)體重心上的期望力和期望力矩，進(jìn)而換算到關(guān)節(jié)處實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制。地面實(shí)驗(yàn)過(guò)程中機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，表現(xiàn)出良好的跳躍與緩沖性能。

1.3 中國(guó)

1.3.1NOROS機(jī)器人

2016年，北京航空航天大學(xué)設(shè)計(jì)了一種多分支結(jié)構(gòu)輪足復(fù)合機(jī)器人NOROS。如圖12所示，NOROS機(jī)器人具有四足、六足多種模式。

(a)四足模式 (b)六足模式

NOROS機(jī)器人機(jī)體半徑為125.8 mm，半球保護(hù)罩半徑為89.4 mm，大腿長(zhǎng)度為120 mm，上小腿長(zhǎng)度為96.2 mm，下小腿長(zhǎng)度為132.3 mm，上下小腿之間夾角為140°[54]。機(jī)器人腿部作為相對(duì)獨(dú)立單元，具有三個(gè)主動(dòng)自由度及一個(gè)被動(dòng)自由度。主動(dòng)關(guān)節(jié)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，不僅能反饋關(guān)節(jié)角度及力矩信息，而且能實(shí)現(xiàn)變剛度控制；被動(dòng)關(guān)節(jié)裝有彈簧及力傳感器，能夠識(shí)別機(jī)器人足端是否觸地。通過(guò)改變機(jī)器人小腿構(gòu)型，NOROS機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)輪地接觸與足地接觸的切換，減少了足式移動(dòng)時(shí)輪子與地面接觸磨損，但也導(dǎo)致機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)生故障的可能性較高。此外，NOROS機(jī)器人能夠在傾覆時(shí)自主恢復(fù)姿態(tài)，避免了機(jī)身傾覆影響正常工作[55-56]。

1.3.2E1Spider機(jī)器人

2014年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了一款面向月球探測(cè)的大負(fù)重比六足機(jī)器人E1Spider，如圖13所示[57]，其機(jī)體重約121.9 kg，半徑為0.4 m。其單腿由基節(jié)、大腿、小腿及足端緩沖機(jī)構(gòu)構(gòu)成，基節(jié)長(zhǎng)度為0.18 m，重約3.6 kg，大腿和小腿長(zhǎng)度均為0.5 m，質(zhì)量分別為22 kg和7.2 kg。單腿具有根關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)三個(gè)主動(dòng)關(guān)節(jié)及腳踝處一個(gè)被動(dòng)關(guān)節(jié)。根關(guān)節(jié)軸線(xiàn)與機(jī)體上下表面垂直，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)軸線(xiàn)相互平行并垂直于根關(guān)節(jié)軸線(xiàn)。六條腿均勻分布于機(jī)體周?chē)沟脵C(jī)器人具有全方向移動(dòng)能力[58]。樣機(jī)負(fù)重能力實(shí)驗(yàn)中，E1Spider機(jī)器人在攜帶額定全配重時(shí)能按照預(yù)設(shè)三足步態(tài)、四足步態(tài)及五足步態(tài)穩(wěn)定移動(dòng)，負(fù)重比達(dá)0.46，遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)外多數(shù)機(jī)器人。

圖13 E1Spider樣機(jī)負(fù)重實(shí)驗(yàn)[17]

E1Spider機(jī)器人控制系統(tǒng)由上位機(jī)系統(tǒng)與下位機(jī)系統(tǒng)組成。上位機(jī)系統(tǒng)包括遠(yuǎn)程監(jiān)控與操作系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)、機(jī)載計(jì)算機(jī)和主要信號(hào)采集與處理系統(tǒng)等，主要用于遠(yuǎn)程人機(jī)交互、機(jī)器人移動(dòng)控制算法實(shí)現(xiàn)與信號(hào)采集處理；下位機(jī)系統(tǒng)指高速高精度多軸運(yùn)動(dòng)控制器，用于機(jī)器人底層控制。上位機(jī)系統(tǒng)與下位機(jī)系統(tǒng)借助以太網(wǎng)通信，機(jī)載計(jì)算機(jī)和遠(yuǎn)程監(jiān)控與操作系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)傳輸信息[17]。

1.3.3輪腿式可移動(dòng)載人月面著陸器

中國(guó)空間技術(shù)研究院載人航天總體部提出了一種新型輪腿式可移動(dòng)載人月面著陸器，將下降、著陸、起飛能力與月面機(jī)動(dòng)能力綜合，滿(mǎn)足月面探測(cè)多任務(wù)要求。著陸器共安裝6條腿，每條腿共三個(gè)自由度。地形崎嶇時(shí)，著陸器輪腿向內(nèi)收攏，利用足式結(jié)構(gòu)進(jìn)行移動(dòng)，此時(shí)著陸器底盤(pán)高2.5 m，垂直于行進(jìn)方向最大跨距為5.1 m，其構(gòu)型如圖14a所示。地形平坦時(shí)，著陸器輪腿向外擴(kuò)展，利用輪式結(jié)構(gòu)進(jìn)行移動(dòng)，此時(shí)著陸器底盤(pán)高1.2 m，垂直于行進(jìn)方向最大跨距6.7 m，其構(gòu)型如圖14b所示。著陸器最高能夠攀爬高度4 m的水平臺(tái)階，具有極強(qiáng)的地面適應(yīng)能力[59]。

(a)慢速狀態(tài)

2 深空著陸探測(cè)足式機(jī)器人對(duì)比

針對(duì)未來(lái)深空探測(cè)任務(wù)中的重點(diǎn)方向，如月球極區(qū)水冰探測(cè)、火星生命探測(cè)、地外探測(cè)基地建設(shè)等，美國(guó)、歐洲和中國(guó)都開(kāi)展了深空著陸探測(cè)領(lǐng)域足式機(jī)器人的研究。前文所介紹的深空著陸探測(cè)足式機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 深空著陸探測(cè)足式機(jī)器人對(duì)比

美國(guó)在這方面的研究起步于20世紀(jì)80年代末，所研制的機(jī)器人多屬大型機(jī)器人，整體尺寸與質(zhì)量相對(duì)較大，功耗相對(duì)較高，但負(fù)載能力與越障能力較強(qiáng)。美國(guó)所研制的該類(lèi)機(jī)器人大多具備原理樣機(jī)，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了相應(yīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，整體發(fā)展水平領(lǐng)先于其他國(guó)家與地區(qū)。

歐洲對(duì)深空著陸探測(cè)足式機(jī)器人的研究雖然起步較晚，但在2010年之后發(fā)展迅猛，涌現(xiàn)出多個(gè)性能優(yōu)越的機(jī)器人。歐洲研制的該類(lèi)機(jī)器人整體尺寸與質(zhì)量相對(duì)較小，功耗更低，但是功能相對(duì)單一，單體機(jī)器人探測(cè)能力有限。其中一部分機(jī)器人加強(qiáng)了多機(jī)協(xié)作方面的能力，如Rimres機(jī)器人系統(tǒng)，通過(guò)多機(jī)協(xié)作在一定程度上提高了探測(cè)器系統(tǒng)科學(xué)探測(cè)能力。

與國(guó)外相比，我國(guó)在此領(lǐng)域的研究水平相對(duì)較低，雖然國(guó)內(nèi)眾多高校與機(jī)構(gòu)研制或提出了多個(gè)以深空著陸探測(cè)為應(yīng)用指向的足式機(jī)器人，但是各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)與國(guó)外仍存在差距。國(guó)內(nèi)多數(shù)機(jī)器人停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，樣機(jī)的整體性能相對(duì)較差，因此在模擬地外環(huán)境中的試驗(yàn)相對(duì)較少，關(guān)鍵技術(shù)有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

3 走向工程化存在的問(wèn)題

世界各國(guó)雖然研制了多種應(yīng)用于深空著陸探測(cè)的足式機(jī)器人，但是所有該類(lèi)機(jī)器人均停留在概念設(shè)計(jì)或原理樣機(jī)試驗(yàn)階段，遲遲無(wú)法實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用，究其原因有以下兩個(gè)方面。

(1)缺乏高效智能的軟件系統(tǒng)。由于地外星體與地球距離遙遠(yuǎn)，機(jī)器人與地面通信具有很長(zhǎng)的延遲，而且在某些特殊地形(如溶洞、熔巖管等)探測(cè)過(guò)程中，障礙物會(huì)嚴(yán)重阻礙機(jī)器人控制信號(hào)的發(fā)送以及接收，依賴(lài)遠(yuǎn)程遙控控制機(jī)器人無(wú)法滿(mǎn)足復(fù)雜探測(cè)任務(wù)的要求。此外，相較于輪式機(jī)器人，足式機(jī)器人更強(qiáng)的地形適應(yīng)能力很大程度上依賴(lài)于更多自由度，如Charlie機(jī)器人具有多達(dá)36個(gè)主動(dòng)自由度，這無(wú)疑增加了足式機(jī)器人控制結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。足式機(jī)器人特有的步態(tài)規(guī)劃、主動(dòng)柔順、足端接觸力控制等控制環(huán)節(jié)給足式機(jī)器人自主控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了更大的困難?，F(xiàn)階段的機(jī)器人控制系統(tǒng)多數(shù)采用人工決策結(jié)合機(jī)器人中層與底層控制器模式，機(jī)器人自主決策的高層控制器智能化程度相對(duì)較低，難以適應(yīng)深空著陸探測(cè)中嚴(yán)苛的要求。

此外，探測(cè)機(jī)器人能否高效開(kāi)展任務(wù)很大程度上依賴(lài)于機(jī)器人自身攜帶的傳感器系統(tǒng)對(duì)環(huán)境識(shí)別的精度。足式機(jī)器人多數(shù)會(huì)搭載視覺(jué)相機(jī)、激光雷達(dá)、IMU、足端力傳感器等，能夠從不同方面采集環(huán)境及地形信息，但是現(xiàn)有信息處理算法難以自主高效地處理傳感器采集環(huán)境以及地形信息，從而限制了機(jī)器人自主控制水平的提高。

(2)缺乏綜合性能出色的硬件系統(tǒng)。深空探測(cè)任務(wù)中，探測(cè)機(jī)器人硬件系統(tǒng)可靠性對(duì)探測(cè)任務(wù)的成功與否起著極其重要的作用。探測(cè)機(jī)器人一旦發(fā)生故障，維修難度極大，整個(gè)探測(cè)任務(wù)將受到極大影響。足式探測(cè)機(jī)器人的地形適應(yīng)能力明顯強(qiáng)于輪式與履帶式探測(cè)機(jī)器人，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度遠(yuǎn)高于其余兩類(lèi)探測(cè)機(jī)器人，這無(wú)疑造成了足式探測(cè)機(jī)器人可靠性偏低、工作性能不穩(wěn)定的問(wèn)題，成為限制足式機(jī)器人在深空著陸探測(cè)領(lǐng)域工程應(yīng)用的一個(gè)重要原因。

此外，深空探測(cè)任務(wù)中硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮多方面因素，如結(jié)構(gòu)尺寸、功率消耗、承載能力等?，F(xiàn)有足式機(jī)器人的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程大多單純考慮一方面或有限幾個(gè)方面指標(biāo)的約束，在其他性能指標(biāo)要求方面存在不同程度的問(wèn)題，這導(dǎo)致硬件系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足深空著陸探測(cè)中多方面的要求。如美國(guó)Athlete機(jī)器人承載能力出色、能夠在不同地形開(kāi)展科學(xué)探測(cè)，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸龐大；歐洲的Charlie機(jī)器人能夠借助多種運(yùn)動(dòng)步態(tài)在復(fù)雜地形穿梭，運(yùn)動(dòng)能力出色，但是其承載能力有限，無(wú)法搭載有效科學(xué)探測(cè)載荷。

4 深空著陸探測(cè)足式機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

未來(lái)深空著陸探測(cè)足式機(jī)器人實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用需要在以下關(guān)鍵技術(shù)方面取得突破。

(1)感知融合化技術(shù)。深空探測(cè)機(jī)器人搭載了多種傳感器以獲得自身及外界的信息，這雖然給數(shù)據(jù)處理帶來(lái)一定的困難，但是提高了傳感器系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。為了增強(qiáng)機(jī)器人獲取外界環(huán)境信息的能力，應(yīng)用高精度、高可靠性傳感器的同時(shí)，必須發(fā)展感知融合技術(shù)，整體處理不同種類(lèi)傳感器信息，發(fā)掘隱藏信息，使機(jī)器人能夠自主實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離范圍地形的粗略估計(jì)、近距離范圍地形的準(zhǔn)確估計(jì)、關(guān)鍵點(diǎn)(如障礙物、探測(cè)物)的精確建模，進(jìn)而為自主導(dǎo)航與開(kāi)展科學(xué)探測(cè)提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)。

(2)控制智能化技術(shù)。深空著陸探測(cè)信號(hào)傳輸具有時(shí)延大、不穩(wěn)定等特點(diǎn)，這對(duì)探測(cè)機(jī)器人的自主控制水平提出了更高要求。發(fā)展控制智能化技術(shù)，需要以足式機(jī)器人特點(diǎn)作為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)合理科學(xué)的自主控制系統(tǒng)。一方面要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人針對(duì)復(fù)雜地形的自主路徑規(guī)劃、步態(tài)參數(shù)優(yōu)化與自身姿態(tài)調(diào)節(jié)，提高機(jī)器人自身運(yùn)動(dòng)能力與環(huán)境適應(yīng)能力；另一方面要實(shí)現(xiàn)足式機(jī)器人科學(xué)探測(cè)任務(wù)的自主規(guī)劃與開(kāi)展，使得機(jī)器人能夠自主選擇具有較高科學(xué)研究?jī)r(jià)值的目標(biāo)，并采取合適的探測(cè)手段，高效地開(kāi)展科學(xué)探測(cè)任務(wù)。

(3)形態(tài)可重構(gòu)技術(shù)。形態(tài)可重構(gòu)技術(shù)可以分為兩個(gè)主要方面：一是整體構(gòu)型可重構(gòu)，將整體機(jī)器人分成多個(gè)結(jié)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立模塊，按照探測(cè)任務(wù)要求，組合模塊實(shí)現(xiàn)整體構(gòu)型重構(gòu)；二是局部構(gòu)型可重構(gòu)，通過(guò)機(jī)器人自身某部分變形重構(gòu)實(shí)現(xiàn)部件復(fù)用，以滿(mǎn)足不同探測(cè)任務(wù)的要求。形態(tài)可重構(gòu)技術(shù)需要綜合考慮結(jié)構(gòu)復(fù)雜度與可用性方面的約束，在確保機(jī)器人可靠性的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人一構(gòu)多用，并能根據(jù)任務(wù)與地形要求，自主選擇合理構(gòu)型。此外，機(jī)器人形態(tài)的重構(gòu)必須基于合理的重構(gòu)規(guī)劃與控制系統(tǒng)，因此，研制穩(wěn)定可靠的可重構(gòu)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，必須開(kāi)發(fā)性能更加優(yōu)越的控制系統(tǒng)，從軟硬件兩個(gè)方面提高機(jī)器人可重構(gòu)性。

(4)多機(jī)協(xié)同化技術(shù)。現(xiàn)有探測(cè)機(jī)器人多為單機(jī)獨(dú)立工作，即使采用著陸器與巡視器組合的探測(cè)器系統(tǒng)，如“嫦娥四號(hào)”與“玉兔二號(hào)”月球車(chē)，其主要移動(dòng)探測(cè)任務(wù)仍由巡視器單機(jī)完成，著陸器發(fā)揮的功能相對(duì)有限?，F(xiàn)階段多機(jī)聯(lián)合移動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用受限的主要原因在于移動(dòng)的多機(jī)相互定位誤差大、通信效率較低、數(shù)據(jù)融合困難等，因此，必須綜合有線(xiàn)與無(wú)線(xiàn)兩種通信方式，在單機(jī)之間建立穩(wěn)定可靠、傳輸效率高的通信局域網(wǎng)，發(fā)展快捷準(zhǔn)確的相互定位方法與數(shù)據(jù)融合算法，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人群體中數(shù)據(jù)的共享及合作處理，提高多機(jī)系統(tǒng)探測(cè)能力。各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)在現(xiàn)有面向深空著陸探測(cè)的足式機(jī)器人中的應(yīng)用程度見(jiàn)表2。

表2 關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用程度現(xiàn)狀對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

在未來(lái)深空著陸探測(cè)任務(wù)中，足式機(jī)器人能夠通過(guò)步態(tài)變化適應(yīng)復(fù)雜地形環(huán)境，這對(duì)擴(kuò)大探測(cè)范圍、開(kāi)展高效持續(xù)科學(xué)探測(cè)任務(wù)具有重要意義。本文從硬件和軟件兩個(gè)方面介紹了面向深空著陸探測(cè)的足式機(jī)器人代表性研究成果，如Ambler、Spacebok、Athlete、Rimres、NOROS等，并對(duì)比分析了各自?xún)?yōu)缺點(diǎn)?，F(xiàn)階段研制的深空著陸探測(cè)足式機(jī)器人多數(shù)缺乏智能高效的軟件系統(tǒng)和綜合性能出色的硬件系統(tǒng)，這導(dǎo)致機(jī)器人感知環(huán)境信息精度不足、自主控制水平低、硬件系統(tǒng)難以兼顧能耗、可靠性、負(fù)載能力以及結(jié)構(gòu)尺寸等深空著陸探測(cè)任務(wù)的眾多嚴(yán)苛要求。目前世界航天大國(guó)對(duì)深空著陸探測(cè)任務(wù)中足式機(jī)器人的研發(fā)仍停留在概念設(shè)計(jì)或樣機(jī)試驗(yàn)階段。實(shí)現(xiàn)足式機(jī)器人在深空著陸探測(cè)任務(wù)中的工程應(yīng)用需要在感知融合化技術(shù)、控制智能化技術(shù)、形態(tài)可重構(gòu)技術(shù)、多機(jī)協(xié)同化技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)方面取得突破。我國(guó)要以工程應(yīng)用為牽引，依托較為成熟的輪式探測(cè)器技術(shù)基礎(chǔ)，逐步突破關(guān)鍵技術(shù)，研制智能、高效、可靠的深空著陸探測(cè)足式機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)未來(lái)深空著陸探測(cè)任務(wù)中復(fù)雜區(qū)域的探測(cè)。