深空着陆探测足式机器人发展综述

第３２卷第１５期
中国机械工程
V o l ．３２㊀N o ．１５２０２１年８月
C H I N A M E C HA N I C A LE N G I N E E R I N G
p p
．１７６５Ｇ１７７５深空着陆探测足式机器人发展综述
孙俊凯１㊀孙泽洲２㊀辛鹏飞２,３
㊀刘㊀宾２,３㊀危清清２,３㊀闫楚良１
１．吉林大学机械与航空航天工程学院,长春,１３００２５
２．北京空间飞行器总体设计部,北京,１０００９４
３．空间智能机器人系统技术与应用北京市重点实验室,北京,１０００９４
摘要:介绍了世界主要航天大国关于深空着陆探测足式机器人的研究现状,对比分析了不同类型足式机器人的优缺点,从硬件与软件设计方面剖析了足式机器人在深空着陆探测任务中尚未工程化的主要问题.以此为基础,提炼出感知融合化技术㊁控制智能化技术㊁形态可重构技术㊁多机协同化技术等深空着陆探测足式机器人发展的关键技术,为中国研制深空着陆探测领域可工程应用的足式机器人提供参考
.
关键词:深空着陆探测;足式机器人;关键技术;工程应用 中图分类号:V ４７６
D O I :１０．３９６９/j ．i s s n ．１００４ １３２X．２０２１．１５．００１开放科学(资源服务)标识码(O S I D )
:R e v i e wo nD e v e l o p m e n t o fL e g g e dR o b o t s f o rD e e p S p
a c e L a n d i n g E x p
l o r a t i o n S U NJ u n k a i １㊀S U NZ e z h o u ２㊀X I NP e n g f e i ２,
３㊀L I U B i n ２,
３㊀W E IQ i n g q i n g ２,
３㊀Y A N C h u l i a n g
１
１．S c h o o l o fM e c h a n i c a l a n dA e r o s p a c eE n g i n e e r i n g ,J i l i nU n i v e r s i t y ,C h a n g
c h u n ,１３００２５２．B e i j i n g I n s t i t u t e o f S p a c e c r a f t S y s t e m E n g i n e e r i n g ,B e i j i n g
,１０００９４３．B e i j i n g K e y L a b o r a t o r y o f I n t e l l i g e n t S p a c eR o b o t i cS y s t e m T e c h n o l o g y a n dA p p
l i c a t i o n s ,B e i j i n g
,１０００９４A b s t r a c t :T h e r e s e a r c hs t a t u so f d e e p s p a c e l a n d i n g e x p l o r a t i o n l e g g
e dr o b o t sw a s i n t r o d u c e d i n t h em a j o r a e r o s p a c e p o w e r s ,s u c h a s t h eU n i t e dS t a t e s ,E u r o p e a n dC h i n a ．M o r e o v e r ,a d v a n t a g
e s a n d d i s a d v a n t a g e s o
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g g e d r o b o t s f o rd e e p s p a c e l a n d i n g e x p l o r a t i o nw e r ea n a l y
z e d ,a n d t h e i s s u e s t h a t c a u s e d t h e l e g g e d r o b o t s n o t t ob e u s e d i n e n g i n e e r i n g y
e tw e r e d i s c u s s e d
f r o mt h e h a r d w a r e a n d s o f t Ｇw a r e d e s i
g na s p e c t s ．T
h e n ,t h ek e y t e c h n o l o g
i e so f l e g g e dr o b o t s f o rd e e p s p a c e l a n d i n g e x p
l o r a t i o n w e r e p r o p o s e d ,i n c l u d i n g s e n s o r y f u s i o nt e c h n o l o g y ,i n t e l l i g e n tc o n t r o l t e c h n o l o g y ,r e c o n f i g
u r a b l e s t r u c t u r e t e c h n o l o g y a n dm u l t i Ｇr o b o t c o o p e r a t i o n t e c h n o l o g y ,w h i c ho f f e r r e f e r e n c e s f o r t h ed e v e l o p
Ｇm e n t o f l e g g e d r o b o t s t h a tm a y b e a c t u a l l y a p p l i e d i n t h e d e e p s p a c e l a n d i n g e x p
l o r a t i o n ．K e y w
o r d s :d e e p s p a c e l a n d i n g e x p l o r a t i o n ;l e g g e d r o b o t ;k e y t e c h n o l o g y ;e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n 收稿日期:２０２００７２８
０㊀引言
作为航天活动重要领域之一的深空探测,以
月球及更远星球为探测对象,开展飞越㊁环绕㊁硬着陆㊁软着陆㊁无人采样返回㊁载人探测等多种形
式的探测活动[１]
,对研究太阳系乃至宇宙起源㊁开
发空间环境资源㊁寻找地外生命等具有重要意
义[２]
.自２０世纪５０年代苏联发射世界第一个月
球探测器 月球１号 以来,世界各国共进行了２００余次深空探测活动.进入２１世纪后,世界主要航天大国更是纷纷制定了新的深空探测发展战略[３]
,深空探测再一次成为世界关注的热点.
由于着陆探测能够实地获取星球信息㊁开展原位分析研究工作,故着陆探测成为多数探测任务的
主要探测形式[４
].为了降低成本与风险,着陆探
测初期往往采用探测机器人代替宇航员对星球进
行着陆以及取样探测[
５
].着陆探测机器人的性能对整个深空探测任务具有极大的影响[
６]
.为进行星球着陆探测任务,世界主要航天大
国提出了多种着陆探测机器人,获得了丰硕的研究成果.依照移动方式,着陆探测机器人可以分
为轮式与足式两种[
７Ｇ８]
.目前实际应用的星球着陆探测机器人多采用轮式结构,如中国的 玉兔
号 月球车㊁美国的 勇气号 [９]
与 好奇号 火星车[１０
].轮式探测机器人运动平稳,在相对平坦的
地形中运动速度较快,但越障能力偏低.
现阶段探测区域多局限于平坦地形,如月球探测区域多集中于月海等,对崎岖地形处的探测
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相对有限[１１].随着深空探测任务的深入,更加具有科学探测价值的地区逐渐变成探测重点,如可能存在水冰的月球南极阴影区[１２],但此类地区地形复杂,依靠轮式探测机器人难以完成探测.相对而言,足式探测机器人可以通过步态变化适应复杂多变地形,其地形适应能力相对较强,这对扩大探测范围具有重要意义[１３].
足式结构机器人可以分为纯足式结构与轮足复合结构两种.多数轮足复合结构以足式结构为基础,通过在足端安装轮子实现足式结构与轮式结构的融合.然而,足式机器人普遍结构复杂[１４Ｇ１５],造成控制困难㊁可靠性较低等问题[１６],导致其迟迟无法在实际深空探测任务中应用.
针对深空着陆探测中复杂地形探测特点,世界主要航天大国与组织提出了多种深空着陆探测足式机器人.本文首先介绍了美国㊁欧洲与中国面向深空着陆探测任务的足式机器人的研究现状;然后对比分析了不同机器人的优缺点,归纳了足式机器人在现阶段深空着陆探测无法走向工程化的问题;最后总结了深空着陆探测足式机器人未来发展的关键技术,为足式机器人在深空着陆探测领域的工程应用提供参考.
１㊀中美欧深空着陆探测足式机器人的发展１．１㊀美国
１．１．１㊀A m b l e r机器人
A m b l e r机器人是由美国卡内基梅隆大学与喷气推进实验室于１９８８－１９９１年间联合研制的星球探测六足机器人,如图１所示[１７Ｇ１８].A m b l e r 机器人的每条腿均为直角坐标式腿,借助腿内齿条调节机体竖直方向位置,以此跨越障碍[１９].
A m b l e r机器人长约３．５m,宽约４．５m,高度可在４．１~６．０m内调节,最大能够跨越１．５m壕沟[２０].该机器人重约２０５０k g,可以负重约１１００k g[２１].
A m b l e r机器人通过任务控制架构整合子系统,操作人员根据中心任务控制器采集到的步态规划模块㊁腿部恢复模块㊁地形感知模块等信息,利用实时控制器控制机器人运动[２２].A m b l e r机器人通过搭载的激光雷达㊁力传感器㊁位姿传感器构建周边地形的三维图,以此为基础规划机器人运动.此外,机器人的传感系统还可以实时监测机器人姿态,从而辅助自身姿态调节,以保持稳定[２３].限于当时技术水平,该机器人仅能采用有限步态模式完成相对简单的任务,难以适应星球表面复杂多变的环境,其实际工程应用的前景受到了明显限制
.
图１㊀A m b l e r室内实验[１７]
F i g．１㊀A m b l e r i n d o o r t e s t[１７]１．１．２㊀D a n t eⅡ机器人
D a n t eⅡ是由美国卡内基梅隆大学在１９９４年研制的一款用于星球探测任务的八足机器人,如图２所示[２４].机器人整体尺寸约３．７mˑ２．３mˑ３．７m,自重７７０k g,载重约１３０k g,水平地面越障高度达到了１．３m
.
图２㊀D a n t eⅡ火山实验[２４]
F i g．２㊀D a n t eⅡv o l c a n o t e s t[２４]
D a n t eⅡ机器人搭载了一对立体相机㊁两轴激光扫描仪与力传感器,用以感知环境与自身信息,为工作人员控制机器人提供参考[２５].D a n t e Ⅱ机器人系统最关键的部件当属长３００m的机载电缆,电缆一端连接基站处的锚点,一端连接机器人.机器人处于斜坡时电缆拉紧以保持机器人稳定,并能够减小机器人腿部受力[２６].通过此种方式,机器人能够在最大倾角为３０ʎ的斜面保持稳定,并能跨越１m障碍.但受制于电缆,机器人运动方向必须与电缆方向保持一致,这极大限制了机器人探测范围.
在火山探测实验中,D a n t eⅡ机器人通过基站与电缆,可以稳定接收１２０k m以外工作人员发出的指令,实现相应运动[２７Ｇ３０],但是机器人能源供给与控制命令的获取过度依赖于通过电缆相连的基站,无法通过自身设备直接与远程控制人员
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传输数据,增加了探测所需成本,极大限制了机器人探测距离.
１．１．３㊀A t h l e t e 机器人
美国国家航空航天局(N A S A )计划在２０２４年重新实现载人探月,并将建立永久月球基地.
为了在此之前通过巡视器完成选址与资源勘探等任务,喷气推进实验室于２００５年研制了全地形六足地外探测器A t h l e t e 的第一代样机S D M ,其底盘采用六边形结构,如图３所示.该机器人底盘每条边配置一条六自由度的机械腿,机械腿末端处安装有驱动轮,一侧可快速连接不同作业工
具[３１Ｇ３３]
.S D M 自重约８００k g
,地面重力条件下能够负重３００k g .其蹲姿高度为０．５m ,行进时高度可达２m .S D M 采用轮式移动时可在１５ʎ
斜坡上运动,而足式移动时可在３５ʎ
斜坡上运动
.图３㊀A t h l e t e S D M 攀爬悬崖
[３１]
F i g ．３㊀A t h l e t e S D Mc l i m b i n g an a t u r a l e s c a r p
m e n t [３１
]
２００９年,喷气推进实验室成功研制了A t h Ｇl e t e 机器人的第二代样机T １２.如图４所示,T １２由两个三足机器人对接组成,每条腿具有７个自
由度,使之能够满足更多工作要求[３４Ｇ３８]
.T １２不
仅具有S D M 的全部功能,
而且运动更加灵活,负重能力更强.T １２结构尺寸更大,
蹲姿高度提高到１．１m ,行进高度则达到６．４m ,
越障能力显著提高.此外,T １２地面重力条件下能够负重约５００k g ,但其自重达１４４０k g
,负重相比第一代样机略有下降
.图４㊀A t h l e t eT １２卸载货物[３５]
F i g ．４㊀A t h l e t eT １２u n l o a d i n g c a r g
o [３５]
为便于遥操作及自主运行管理,T １２上搭载
了许多子系统,例如动力源系统㊁计算系统㊁传感器系统㊁通信系统等.T １２利用１５个立体测绘相
机获得周围地形环境的全景图像,图像经处理后形成探测器周边的三维虚拟地形环境.控制器以此为参照规划探测器运动,使得T １２的自主运动能力得到了极大的提升.１．２㊀欧洲
１．２．１㊀S p
a c e C l i m
b e r 机器人２０１０年,德国人工智能研究中心研制了一款仿昆虫六足机器人S p
a c e C l i m
b e r ,其主要功能是探测月球表面环形山,如图５所示[
３９Ｇ４０
].整机重约２３k g ,具有２６个自由度,机身可以沿纵向与横向进行直线运动,并能实现最大转向速度７ʎ/s 的转向运动
.
图５㊀S p
a c e C l i m
b e r 处于模拟月球环形山环境[３９]
F i g ．５㊀S p
a c e C l i m
b e r i na r t i f i
c i a lm o o n c r a t e r e n v i r o n m e n t [３
９
]
S p
a c e C l i m e r 机器人的六条腿分布于机身两侧,两前腿安装于前部机身,四条后腿安装于后部机身.机身前部相对较小,搭载了p i c o ＧI T X P C
板以及两个力/力矩传感器控制板[
４１Ｇ４２
].机身后部为主要电子设备安装部位,搭载了中心控制板㊁四个力/力矩传感器控制板㊁惯性测量单元㊁E t h Ｇ
e r n e t 交换机㊁
无线通信模块㊁能源供给测量板㊁七个继电器以及锂电池等.
S p
a c e C l i m
b e r 控制系统仿照生物控制系统,综合了姿态控制模块㊁中心模式发生器(C P G )以及反射控制模式.姿态控制模块主要通过运动驱动器计算期望关节角度,控制机器人运动,以保持机器人姿态.中心模式发生器主要用于生成节律运动,保持机器人运动协调性.反射控制模式主要分为障碍修正反射以及升降反射.障碍修正反射用于缓冲机器人运动过程中腿部与障碍的碰撞,升降反射用于保持着地相期间机器人足端时刻触地.由于反射控制模式持续处理机器人状态
信息,机器人可以对地形变化㊁外界扰动等快速做出响应,有效提高了机器人地形适应能力[
４３]
.１．２．２㊀R i m r e s 机器人
德国宇航中心于２０１２年提出了可重构多机
器人月面探测系统的概念,旨在通过重构满足月
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面探测多任务要求.以此为基础,面向月球南极地区水冰探测任务,德国人工智能中心研制了由四轮机器人S h e r p a 与六足机器人C r e x 组成的机器人系统R i m r e s ,S h e r p
a 与C r e x 可以独立工作,也可以通过接口连接协同工作.S h e r p a 机器人整机重约１６０k g ,构型如图６所示.S h e r p a 机器人可以通过机体上的机械臂根据任务要求选择装配负载.此外机械臂还能作为第五条腿,辅助机器人攀爬障碍等.S h e r p a 机器人可以利用主动悬挂系统调节重心投影与支撑区域投影的关系,并根据地形选择机体运动模式,例如平面全方向移动㊁爬行运动等.如图７所示,六足机器人
C r e x 以S p
a c e C l i m
b e r 机器人为基础,主要用于翻越地形障碍,进行月面环形山等崎岖地形的探
测,整机重约２７k g
[４４Ｇ４６]
.图６㊀S h e r p
a 借助主动悬架攀登障碍[４４]
F i g ．６㊀S h e r p a u s i n g i t s a c t i v e s u s p
e n s i o n t o c l i m b a no b s t a c l e [４
４
]
图７㊀C r e x 模拟撞击坑实验[４
４]
F i g
．７㊀C r e x i na r t i f i c i a l c r a t e r e n v i r o n m e n t t e s t [４４
]
S h e r p
a 机器人通过机电接口(E l e c t r o m e Ｇc h a n i c a l I n t e r f a c e ,E M I )携带C r e x 机器人,
实现机器人间数据的传输.此外,E M I 还能够连接模块化载荷,如电池模块㊁科学探测仪器模块等,从而适应多种科学探测任务需要,这极大地提高了S h e r p
a 机器人系统的可重构能力.如图８所示,E M I 通过电机驱动闩锁机构主动部分,完成机器人与载荷设备机械连接.此外,E M I 还独立安装了控制电路板,控制闩锁机构以及照明L E D 灯.完成连接后,控制器能够建立局部信息交流通道,获取机器人姿态结构信息,并传输相应高级控制指令
.１．
闩锁机构驱动电机㊀２．闩锁机构主动部分３．
辅助定位销㊀４．电子连接模块图８㊀底部接口内部构成[
４４]
F i g
．８㊀I n s i d e o f t h e b o t t o mi n t e r f a c e [４４
]
如图９所示,２０１８年,
德国宇航中心发布了S h e r p aT T 机器人,整机重约１６６k g ,可承载８０k g
,其整机具有２６个自由度,能够跨越０．７７２m 的障碍,最大运动速度可达０．７m /s ,陡峭地形运动平均功率约２５０W .S h e r p aT T 搭载了雷达㊁力传感器㊁高度传感器㊁相机㊁激光扫描仪等设备,能够更加全面地感知地形环境以及自身姿态信息.S h e r p aT T 的控制系统主要分为三层:高层控制利用机载电脑实现自主导航与控制;中层控制同样在机载电脑上运行,主要实现机器人运动控制以及主动悬架调节;底层控制通过微型处理
器实现关节控制以及传感器信息预处理[
４７
].基于足端力信息以及机体俯仰角㊁滚转角信息,S h e r p
aT T 能够完成斜面地形主动适应㊁支撑区域内重心竖直方向提升㊁机体俯仰角与滚转角主动调节等任务,在松软的沙土地形中适应性良
好[４８
].S h e r p
aT T 虽然能够依靠高层控制实现部分自主控制,但其智能水平相对较低,主要依靠人工决策结合中层㊁底层控制模块实现机器人运动控制
.
图９㊀S h e r p
aT T 沙漠环境实验[４７]
F i g ．９㊀S h e r p
aT T i nd e s e r t e n v i r o n m e n t t e s t [４７
]
１．２．３㊀C h a r l i e 机器人
２０１６年,
德国人工智能研究中心仿照黑猩猩的运动方式,设计了一种月球探测机器人C h a r Ｇ
l i e ,如图１０所示[４９]
.整机重约２１．５k g
,具有３６个自由度,最大运动速度可达０．２７m /s [５
０].
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㊀㊀㊀㊀(a)四足姿态㊀㊀㊀㊀㊀(b)两足姿态
图１０㊀C h a r l i e机器人[５０]
F i g．１０㊀C h a r l i e r o b o t[５０]
C h a r l i e机器人能够在两足和四足运动模式间自由切换以适应不同地形.机器人四足模式转换成两足模式时,首先收拢后腿,随后借助脊柱向后移动重心至重心投影位于后腿支撑区域内时停止,最后提高机体重心,使前臂与地面分离,实现四足至两足切换.机器人两足模式切换四足模式时,首先弯曲膝盖和脊柱,右侧前臂先触地,随后调整重心,左侧前臂着地,完成两足至四足切换.
C h a r l i e机器人采用分层控制系统,其中决策层作为最高层,根据机器人四足或两足姿态选择相应控制模式;其次为反应层,主要计算各关节角度以控制机器人位置与姿态,此外反应层还根据足端传感器信息计算机器人足端支撑区域,据此调整机器人以保证其稳定性;底层控制完成单个关节运动控制以及传感器信息的预处理.
为了提高机器人运动中轨迹跟踪与保持稳定的性能,控制系统中应用了局部控制环(l o c a l c o n t r o l l o o p)对运动中的干扰力做出补偿,并根据补偿量适当修改期望轨迹,使机器人能在小带宽㊁低能耗情况下实现对干扰力的快速响应.局部控制环还能持续传输传感器信息,提高了机器人控制系统决策的合理性及计算精确性[５１].１．２．４㊀S p a c e b o k机器人
S p a c e b o k是由瑞士苏黎世联邦理工学院(E T H Z u r i c h)和苏黎世应用科技大学于２０１８年联合研制的弹跳式六足机器人,如图１１所示,其主要设计用途是在月球或小行星等低重力星体上进行科学探测[５２].机器人髋关节高度约０．５m,重约２０k g.S p a c e b o k机器人使用高功率密度的力矩电机作为主动关节驱动单元,关节处安装行星减速齿轮箱,减速比为９．５５,当电机工作电流３０A时最大输出转矩可达３９．５N m.这种设计不仅能够简化驱动结构,减小驱动单元质量,而且近似直接驱动的配置使关节力矩信息可以直接通过电流精确计算获得.S p a c e b o k机器人安装
了被动缓冲机构,利用弹簧降低机器人着地的冲击,同时为下次起跳储存能量,降低关节起跳时电机功耗.在模拟月球重力条件下,机器人连续跳跃高度可达０．９m,单次跳跃最大高度可达１．３m[５３].
图１１㊀S p a c e b o k在E T HZ u r i c h测试[５２]
F i g．１１㊀S p a c e b o kd u r i n g t e s t s a t E T HZ u r i c h[５２]
机器人控制系统主要分为状态估计器㊁高层控制器与底层控制器三部分.状态估计器从底层控制器得到电机以及编码器信息,并从机器人操作系统R O S获得惯性测量单元(i n e r t i a lm e a sＧu r e m e n t u n i t,I MU)信息,以此估计机器人状态.高层控制器结合输入控制指令与机器人状态信息计算驱动关节期望力矩.底层控制器借助E t h e rＧC A T网络与电机通信,控制电机速度以及力矩等.在运动控制方面,S p a c e b o k机器人通过虚拟模型控制器实现了多种静态步行的控制.机器人腿部处于空中相时仅使用简单足端位置控制器;处于着地相时,则通过虚拟模型计算应该施加在机体重心上的期望力和期望力矩,进而换算到关节处实现机器人控制.地面实验过程中机器人能够实现稳定运动,表现出良好的跳跃与缓冲性能.１．３㊀中国
１．３．１㊀N O R O S机器人
２０１６年,北京航空航天大学设计了一种多分支结构轮足复合机器人N O R O S.如图１２所示, N O R O S机器人具有四足㊁六足多种模式.
㊀㊀㊀㊀(a)四足模式㊀㊀㊀㊀㊀㊀(b)六足模式
图１２㊀N O R O S机器人[５４]
F i g．１２㊀N O R O S r o b o t[５４]
N O R O S机器人机体半径为１２５．８mm,半球保护罩半径为８９．４mm,大腿长度为１２０mm,上小腿长度为９６．２mm,下小腿长度为１３２．３mm,上下小腿之间夹角为１４０ʎ[５４].机器人腿部作为相对独立单元,具有三个主动自由度及一个被动自由度.主动关节采用伺服电机驱动,不仅能反
９６７１
深空着陆探测足式机器人发展综述 孙俊凯㊀孙泽洲㊀辛鹏飞等
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馈关节角度及力矩信息,而且能实现变刚度控制;被动关节装有弹簧及力传感器,能够识别机器人足端是否触地.通过改变机器人小腿构型,N OＧR O S机器人能够实现轮地接触与足地接触的切
换,减少了足式移动时轮子与地面接触磨损,但也导致机器人整体结构复杂,发生故障的可能性较高.此外,N O R O S机器人能够在倾覆时自主恢复姿态,避免了机身倾覆影响正常工作[５５Ｇ５６].１．３．２㊀E１S p i d e r机器人
２０１４年,哈尔滨工业大学研制了一款面向月球探测的大负重比六足机器人E１S p i d e r,如图１３所示[５７],其机体重约１２１．９k g,半径为０．４m.其单腿由基节㊁大腿㊁小腿及足端缓冲机构构成,基节长度为０．１８m,重约３．６k g,大腿和小腿长度均为０．５m,质量分别为２２k g和７．２k g.单腿具有根关节㊁髋关节与膝关节三个主动关节及脚踝处一个被动关节.根关节轴线与机体上下表面垂直,髋关节和膝关节轴线相互平行并垂直于根关节轴线.六条腿均匀分布于机体周围,使得机器人具有全方向移动能力[５８].样机负重能力实验中,E１S p i d e r 机器人在携带额定全配重时能按照预设三足步态㊁四足步态及五足步态稳定移动,负重比达０．４６,远高于国内外多数机器人.
图１３㊀E１S p i d e r样机负重实验[１７]
F i g．１３㊀L o a d e x p e r i m e n t o fE１S p i d e r p r o t o t y p e[１７] E１S p i d e r机器人控制系统由上位机系统与下位机系统组成.上位机系统包括远程监控与操作系统㊁无线通信系统㊁机载计算机和主要信号采集与处理系统等,主要用于远程人机交互㊁机器人移动控制算法实现与信号采集处理;下位机系统指高速高精度多轴运动控制器,用于机器人底层控制.上位机系统与下位机系统借助以太网通信,机载计算机和远程监控与操作系统通过无线通信系统传输信息[１７].
１．３．３㊀轮腿式可移动载人月面着陆器
中国空间技术研究院载人航天总体部提出了一种新型轮腿式可移动载人月面着陆器,将下降㊁着陆㊁起飞能力与月面机动能力综合,满足月面探测多任务要求.着陆器共安装６条腿,每条腿共
三个自由度.地形崎岖时,着陆器轮腿向内收拢,利用足式结构进行移动,此时着陆器底盘高２．５m,垂直于行进方向最大跨距为５．１m,其构型如图１４a所示.地形平坦时,着陆器轮腿向外扩展,利用轮式结构进行移动,此时着陆器底盘高１．２m,垂直于行进方向最大跨距６．７m,其构型如图１４b 所示.着陆器最高能够攀爬高度４m的水平台阶,具有极强的地面适应能力[５９].
(a)慢速状态
(b)高速状态
图１４㊀轮腿式可移动载人月面着陆器[５９]
F i g．１４㊀M a n n e d l u n a r l a n d e rw i t hw h e e lＧl e g g e d
m o b i l e s y s t e m[５９]
２㊀深空着陆探测足式机器人对比
针对未来深空探测任务中的重点方向,如月球极区水冰探测㊁火星生命探测㊁地外探测基地建设等,美国㊁欧洲和中国都开展了深空着陆探测领域足式机器人的研究.前文所介绍的深空着陆探测足式机器人关键技术指标对比见表１.
美国在这方面的研究起步于２０世纪８０年代末,所研制的机器人多属大型机器人,整体尺寸与质量相对较大,功耗相对较高,但负载能力与越障能力较强.美国所研制的该类机器人大多具备原理样机,对关键技术进行了相应试验验证,整体发展水平领先于其他国家与地区.
欧洲对深空着陆探测足式机器人的研究虽然起步较晚,但在２０１０年之后发展迅猛,涌现出多个性能优越的机器人.欧洲研制的该类机器人整体尺寸与质量相对较小,功耗更低,但是功能相对
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中国机械工程第３２卷第１５期２０２１年８月上半月Copyright©博看网 . All Rights Reserved.
表１㊀深空着陆探测足式机器人对比
T a b．１㊀C o m p a r i s o no f l e g g e d r o b o t s f o r d e e p s p a c e l a n d i n g e x p l o r a t i o n
名称国家/
地区
尺寸(m)
(D为直径,H为高度)质量(k g)运动速度
(m/m i n)负载能力
(k g)功耗(W)结构复杂度越障能力
A m b l e r美国３．５０ˑ４．５０ˑ４．１０２０５０２．０１１００６５０较低最宽可越过１．５m
壕沟
D a n t eⅡ美国３．７０ˑ２．３０ˑ３．７０７７００．６１３０２０００较低最高可跨越１．３m
障碍
A t h l e t e美国２．７５(D)ˑ２．０８(H)S D M:８００
T１２:１４４０５０．０S D M:３００
T１２:５００４０００较高
最大爬坡角度
为３５ʎ
S p a c e C l i m b e r欧洲０．８５ˑ１．００ˑ０．２２２３０．３低１０５较低较强
R i m r e s欧洲S h e r p a:１．００ˑ１．００ˑ０．７０１６０
C r e x:０．８５ˑ１．００ˑ０．２２２７
４．２
(S h e r p aT T)
８０
(S h e r p aT T)２５０较低
最高可跨越０．７m
障碍
较低较强
C h a r l i e欧洲０．８０ˑ０．４４ˑ０．５４２１．５四足:１６．２
两足:６．０低６５复杂最大爬坡角度为２０ʎ
S p a c e b o k欧洲０．５０(H)２０６６．０低较低低最高跳跃０．９m
(月面重力) N O R O S中国约０．５０(D)较低较低较低较低较强
E１S p i d e r中国２．００(D)ˑ０．５０(H)约３２０低约１５０较高较高较强
轮腿式可移动
载人月面着陆器中国较快较强较高较高
最高可攀爬４m
台阶
单一,单体机器人探测能力有限.其中一部分机器人加强了多机协作方面的能力,如R i m r e s机器人系统,通过多机协作在一定程度上提高了探测器系统科学探测能力.
与国外相比,我国在此领域的研究水平相对较低,虽然国内众多高校与机构研制或提出了多个以深空着陆探测为应用指向的足式机器人,但是各项关键技术指标与国外仍存在差距.国内多数机器人停留在实验室研究阶段,样机的整体性能相对较差,因此在模拟地外环境中的试验相对较少,关键技术有待进一步验证.
３㊀走向工程化存在的问题
世界各国虽然研制了多种应用于深空着陆探测的足式机器人,但是所有该类机器人均停留在概念设计或原理样机试验阶段,迟迟无法实现工程化应用,究其原因有以下两个方面.
(１)缺乏高效智能的软件系统.由于地外星体与地球距离遥远,机器人与地面通信具有很长的延迟,而且在某些特殊地形(如溶洞㊁熔岩管等)探测过程中,障碍物会严重阻碍机器人控制信号的发送以及接收,依赖远程遥控控制机器人无法满足复杂探测任务的要求.此外,相较于轮式机器人,足式机器人更强的地形适应能力很大程度上依赖于更多自由度,如C h a r l i e机器人具有多达３６个主动自由度,这无疑增加了足式机器人控制结构的复杂程度.足式机器人特有的步态规划㊁主动柔顺㊁足端接触力控制等控制环节给足式机器人自主控制系统的设计带来了更大的困难.现
阶段的机器人控制系统多数采用人工决策结合机
器人中层与底层控制器模式,机器人自主决策的
高层控制器智能化程度相对较低,难以适应深空
着陆探测中严苛的要求.
此外,探测机器人能否高效开展任务很大程
度上依赖于机器人自身携带的传感器系统对环境
识别的精度.足式机器人多数会搭载视觉相机㊁
激光雷达㊁I MU㊁足端力传感器等,能够从不同方面采集环境及地形信息,但是现有信息处理算法
难以自主高效地处理传感器采集环境以及地形信
息,从而限制了机器人自主控制水平的提高. (２)缺乏综合性能出色的硬件系统.深空探测任务中,探测机器人硬件系统可靠性对探测任务的成功与否起着极其重要的作用.探测机器人一旦发生故障,维修难度极大,整个探测任务将受到极大影响.足式探测机器人的地形适应能力明显强于轮式与履带式探测机器人,但是其结构复杂程度远高于其余两类探测机器人,这无疑造成了足式探测机器人可靠性偏低㊁工作性能不稳定的问题,成为限制足式机器人在深空着陆探测领域工程应用的一个重要原因.
此外,深空探测任务中硬件系统设计需要考
虑多方面因素,如结构尺寸㊁功率消耗㊁承载能力
等.现有足式机器人的硬件系统设计过程大多单
纯考虑一方面或有限几个方面指标的约束,在其
他性能指标要求方面存在不同程度的问题,这导
致硬件系统无法满足深空着陆探测中多方面的要
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深空着陆探测足式机器人发展综述 孙俊凯㊀孙泽洲㊀辛鹏飞等
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