在南極，有一個(gè)“大家伙”在從事科考工作，它長(zhǎng)1.8米，高1.2米，寬1.6米，重300公斤，可在風(fēng)能發(fā)電驅(qū)動(dòng)下不間斷地晝夜行走，還能跨越高度半米以上的障礙物，并能在冰蓋復(fù)雜的地形下進(jìn)行自主導(dǎo)航控制，在國(guó)內(nèi)通過衛(wèi)星線路可對(duì)它進(jìn)行遙控。它就是2 月份隨雪龍?zhí)柨茖W(xué)考察船一起到達(dá)南極的“極地漫游者”，雖說是“漫游”，但它的目標(biāo)卻很明確，它非常懂得自己在這里的任務(wù)就是檢驗(yàn)自身對(duì)大氣觀測(cè)、冰雪取樣、冰蓋移動(dòng)等自主環(huán)境的監(jiān)測(cè)能力。

如今，“極地漫游者”圓滿完成科考任務(wù)并順利返航，這臺(tái)我國(guó)研發(fā)的首個(gè)基于風(fēng)能驅(qū)動(dòng)的科考機(jī)器人，為將來建立無人值守科考站或移動(dòng)式科考艙提供先期平臺(tái)支撐的技術(shù)積累和測(cè)試。未來它還可搭載大氣傳感器、冰雪取樣器、地理地質(zhì)分析器等50公斤的任務(wù)載荷。為了詳細(xì)了解“極地漫游者”的技術(shù)性能及其后續(xù)發(fā)展情況，本刊記者采訪了本項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人、北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所王田苗教授和該項(xiàng)目的全程參與者張韜懿博士。

各國(guó)機(jī)器人紛紛登陸南極

近年來，美國(guó)、加拿大、日本等國(guó)十分重視極地科考機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)，如美國(guó)NASA正在試驗(yàn)的以風(fēng)能為主太陽(yáng)能為輔的機(jī)器人，北歐國(guó)家研制的純太陽(yáng)能漫游機(jī)器人。中國(guó)也不例外，“ 中國(guó)每年都有大型的科考團(tuán)隊(duì)在南極登陸作業(yè)?！蓖跆锩缯f，“但是，極地氣候異常惡劣，科考人員的交通、后勤等環(huán)節(jié)一直是科研活動(dòng)的難點(diǎn)，而風(fēng)能科考機(jī)器人可以自行解決這些問題。并且，南極科考是一個(gè)艱苦而危險(xiǎn)的任務(wù)，為了以后可以擴(kuò)展更多的科考站又能減少人的介入，研發(fā)機(jī)器人系統(tǒng)就是一個(gè)可行的技術(shù)路線?！北敬巍皹O地漫游者”南極試驗(yàn)驗(yàn)證了通過激光雷達(dá)、視覺信息、GPS 和慣性導(dǎo)航信息進(jìn)行融合導(dǎo)航的可行性，為未來進(jìn)一步工作提供了基礎(chǔ)。

極地氣候挑戰(zhàn)科學(xué)家智慧

張韜懿介紹，“極地漫游者”以風(fēng)能作為主要能量來源為電池補(bǔ)充電力，采用的是UGE希翼公司生產(chǎn)的“后羿垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)”，可以搭載近50公斤重的儀器，在風(fēng)速每秒8米至15米的時(shí)候通過風(fēng)電驅(qū)動(dòng)不間斷行走。“北歐國(guó)家依據(jù)自身?xiàng)l件進(jìn)行過純太陽(yáng)能冰雪漫游機(jī)器人研究，但現(xiàn)階段太陽(yáng)能獲取效率仍然較低，同時(shí)南極存在極晝極夜現(xiàn)象，造成能源的時(shí)間分布不均勻等缺點(diǎn)，所以我們認(rèn)為風(fēng)能仍然是再生能源漫游機(jī)器人獲取能源的主要方式。”張韜懿說。

為適應(yīng)南極多變的地形，“極地漫游者”主要由兩部分組成，一是位于車體上部的三片紅色風(fēng)葉，然后就是擁有四個(gè)輪子的車體。機(jī)器人結(jié)構(gòu)上使用了差動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)，四輪采用獨(dú)立驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，每個(gè)輪胎單獨(dú)控制速度和扭矩，主電池為四個(gè)輪內(nèi)電機(jī)分別提供動(dòng)力。整車的四條擺臂可以獨(dú)立改變角度，同時(shí)具有聯(lián)動(dòng)的功能，在斜坡行走時(shí)可以自動(dòng)調(diào)整擺腿角度以使車體保持平衡，這個(gè)特點(diǎn)讓該機(jī)器人可以翻越半米多高的障礙物，同時(shí)便于安裝衛(wèi)星通訊、視覺攝像機(jī)、激光雷達(dá)等儀器。在遇到大風(fēng)雪的情況下它還可以通過調(diào)整擺腿角度架高車身，以避免車下積雪。

“極地漫游者”屬于風(fēng)能機(jī)器人，而風(fēng)能獲取能源的過程與風(fēng)速、氣溫等密切相關(guān)，且在時(shí)間上并不穩(wěn)定。這就首先必須解決低溫電池動(dòng)力的問題，傳統(tǒng)電池系統(tǒng)在低溫下由于化學(xué)反應(yīng)的原因均會(huì)導(dǎo)致電池容量和放電能力下降，機(jī)器人對(duì)電池的放電能力要求很高，這就對(duì)電池的選型和保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了比較高的要求。經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有電池種類的篩選和試驗(yàn)，科研人員選擇了在重量、放電能力、低溫性能、重復(fù)充放電性能比較均衡的型號(hào)。

無人科考站是未來發(fā)展方向

由于國(guó)內(nèi)模擬試驗(yàn)無法完全模擬南極的氣候和環(huán)境特點(diǎn)，極地漫游者在南極試驗(yàn)之中仍然遇到了很多問題。首先是機(jī)器人的長(zhǎng)途運(yùn)輸和保障問題，因?yàn)樾枰褂醚執(zhí)栠\(yùn)輸超過12000km，機(jī)器人需要合理的拆卸、固定、重組。其次，機(jī)器人在中山站至內(nèi)陸行進(jìn)的過程中會(huì)遇到松軟的沙石路面、堅(jiān)實(shí)的巖石地面、重融冰面等不同路況，這就對(duì)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提出了很高的地形適應(yīng)性要求。此外，南極風(fēng)吹雪情況會(huì)給機(jī)器人帶來視覺導(dǎo)航無法使用、難以進(jìn)行遙控操作等問題，當(dāng)機(jī)器人在室外停止一段時(shí)間后，雪往往會(huì)將機(jī)器人掩埋。

“極地漫游者”返航后，針對(duì)這些在去南極之前沒有考慮到的問題，科研人員對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)正在進(jìn)行進(jìn)一步地改進(jìn)，讓機(jī)器人車體更輕，功耗更低，同時(shí)引入全景攝像模塊和自主導(dǎo)航模塊，在接下來的時(shí)間里準(zhǔn)備進(jìn)行自主導(dǎo)航試驗(yàn)，提高機(jī)器人對(duì)環(huán)境的識(shí)別判斷能力和自我導(dǎo)航能力。在今年暑期，科研人員打算在內(nèi)蒙古進(jìn)行一次風(fēng)能驅(qū)動(dòng)的漫游試驗(yàn)，以驗(yàn)證新增加的系統(tǒng)。同時(shí)在今年冬季，如果條件允許，他們會(huì)在東北進(jìn)行全系統(tǒng)模擬測(cè)試，希望未來在后續(xù)項(xiàng)目支持的情況下可以繼續(xù)南極的試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)研究。

“未來機(jī)器人在南極的發(fā)展方向主要是免維護(hù)、無人值守、自主漫游等。機(jī)器人更多的是作為一個(gè)科考儀器載體或人的延伸進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、樣品采集等任務(wù)，逐步從地面向空中甚至高空延伸，從而最終形成無人科考站的模式?！蓖跆锩缯f。