梁振杰，江 磊，蘇 波，劉興杰，黨睿娜

(中國北方車輛研究所，北京100072)

1 引言

人機共融機器人(Tri-Co Robots)是指人、機、環(huán)境共融的下一代協(xié)作型機器人，又稱共融機器人[1]。國家自然基金委2016年設立“共融機器人基礎理論與關鍵技術(shù)”重大研究計劃，提出了共融機器人的新理念，要求共融機器人具備共存、協(xié)作、認知3個要點。未來的共融機器人將能與各種環(huán)境、操作者和機器人自然交互，協(xié)同完成復雜的工作[2]。

按照我國載人登月工程總體規(guī)劃，將在合適的時機開展多項有人、無人深空探測任務，逐步突破核心技術(shù)，實現(xiàn)深空探測目標[3-4]。其中，月面機器人尤其是人機共融機器人將在月面科考探測、資源勘探利用、基地建設與維護、航天員能力增強等任務中發(fā)揮重要作用[5-6]。

本文綜述了共融機器人在航天領域的技術(shù)研究進展，對月面駐留活動中人機共融機器人的任務目標、能力需求以及關鍵技術(shù)進行分析，在此基礎上分析制定共融機器人系統(tǒng)在我國首次載人登月中的任務目標和能力需求，并提出針對首次載人登月中人機共融作業(yè)系統(tǒng)的工作模式。

2 共融機器人在航天領域研究進展

在航天領域，NASA在星表機器人領域已深入研究多年，通過建立新的人類和機器人聯(lián)合深空探測模式，已經(jīng)開發(fā)出一系列機器人來完成不同的任務目標。如圖1所示，帶有人機協(xié)同作業(yè)模式的星表機器人正在輔助補償航天員完成精密采樣動作[7]；帶有雙靈巧臂的人形機器人“機器人航天員2號”在人類的操控下開展空間站作業(yè)服務[8]；人機共融機器人K10在有人星球探測任務中實現(xiàn)遠距離探測[9]。

圖1 NASA近年來開發(fā)的若干人機共融機器人[7]Fig.1 Several Tri-Co robots developed by NASA[7]

俄羅斯航天局研制的人形機器人Fedor(圖2)，完全按照仿人軀干結(jié)構(gòu)設計，目前正在進行功能測試，計劃在未來的深空探測計劃中，由Fedor代替人類完成危險任務[10]。

圖2 俄羅斯航天局開發(fā)的人形機器人Fedor[10]Fig.2 Robot Fedor developed by Russian Space Agency[10]

2015年ESA研制出一款遠程遙控空間機器人Justin(圖3)，該機器人具有51個主動自由度，主要通過國際空間站航天員遠程遙控星表機器人進行設備安裝、維修等任務[11-12]。機器人在航天員監(jiān)督下進行作業(yè)，也可利用本身的計算和推理能力執(zhí)行任務。ESA通過建立降表全系統(tǒng)的模擬試驗環(huán)境探索未來空間機器人功能與性能設計。

在月面復雜環(huán)境與月面駐留復雜任務雙重約束下，人機共融機器人要求具有優(yōu)越的通過性能，可適應月海、類月海、撞擊坑、高地、沙坑、礫巖等多種典型地形地貌條件[13]。

ESA研制的四足機器人ALOF[14]和Space-Bok[15]具備全地形的適應能力，在非結(jié)構(gòu)化地面環(huán)境下展現(xiàn)出比輪履式機器人更為優(yōu)越的通過性能，可以實現(xiàn)月面重力環(huán)境下4 m的跳躍高度并具備側(cè)摔自恢復功能(圖4)。足式機器人側(cè)摔自恢復功能極大提高了機器人月面生存能力。通過搭載機械臂或?qū)Ｓ媚┒藞?zhí)行器，足式機器人可配合航天員協(xié)同完成多種任務[16](圖5)。

圖3 ESA研制的空間機器人Justin[11-12]Fig.3 Space robot Justin developed by ESA[11-12]

圖4 ETH Zürich研制的空間探測四足機器人[14-15]Fig.4 Space exploration quadruped robots developed by ETH Zürich[14-15]

圖5 搭載雙機械手的四足機器人[16]Fig.5 Quadruped robot with two manipulators[16]

美國JPL實驗室研制的全地形六足機器人[17]如圖6所示，采用輪腿式的移動機構(gòu)與仿人操作機構(gòu)融合配置。輪腿式機器人是輪式機器人和腿足式機器人的一種折中方案，既保留了輪式機器人高機動型的能力，又兼顧腿足式機器人高通過性的能力[18]，對月面的復雜地形具有極強的適應能力。

圖6 JPL研制的輪腿式機器人構(gòu)型[17]Fig.6 Wheel-legged robot developed by JPL[17]

除了傳統(tǒng)的輪式機器人、腿足式機器人以及輪腿式機器人構(gòu)型，根據(jù)不同的應用場景和場合設計專用機器人，如仿猩猩機器人[19-21]、仿螳螂機器人[22]、蠕動式機器人[23-24]等，可更好地在月面極端地形(山巒、礫石、山洞、溝壑、隕石坑、沙坑、沉陷坑、陡坡等)上完成勘察、精細操作、科學實驗、鉆探取樣、緊急救援等任務(圖7)。

圖7 月面機器人創(chuàng)新構(gòu)型Fig.7 Innovative configuration of lunar robots

綜上所述，人機共融機器人正在成為下一代智能機器人技術(shù)的研究熱點。人與機器人不同的能力特質(zhì)可以互為補充，拓寬單獨作業(yè)的能力邊界，互相補償人工智能和人類智能的局限性，協(xié)同完成星表探測的重大工程任務挑戰(zhàn)。

3 月面駐留活動共融機器人任務與需求

3.1 共融機器人任務剖析

在載人航天和月球探測工程中，共融機器人為各種探測任務的實現(xiàn)提供了一條有效的解決路徑，在典型的共融機器人配置中，可根據(jù)人機各自的能力特性，形成較為完備的配置方案。按照月面作業(yè)形式和需求將月面作業(yè)任務分為以下幾種：

1)月面地形地貌探測。月面地形地貌探測任務貫穿整個探月工程始終，涉及到著陸點的選擇、月球基地建造選址、月面探測路徑規(guī)劃、月面地質(zhì)條件科考等一系列的探測任務，對后續(xù)任務的成敗起到?jīng)Q定性作用。根據(jù)航天員、月球車、月面機器人的能力約束，月面地形地貌探測可達范圍如圖8所示。根據(jù)不同月面機動范圍，需配置不同類型的機器人、月球車等設備，彌補航天員自身能力的不足，拓寬航天員機動范圍。

圖8 月面探測機動可達范圍Fig.8 Maneuverable range of lunar exploration

2)月球資源探測和利用。月球資源的探測和利用一直都是各國探月工程的重點，我國未來的月球探測任務重點在月球礦產(chǎn)資源的全球分布、利用前景評估上。根據(jù)現(xiàn)有的資料表明，月表富含氦-3、鈦鐵礦、稀土、水冰資源等，這些對于人類月球的長期生存、持續(xù)發(fā)展具有重要意義。需要通過資源探測了解資源的種類、含量、分布情況等，以便于后續(xù)深空探測的長遠發(fā)展。僅僅依靠航天員實現(xiàn)月球資源的探測是不現(xiàn)實的，在航天員不可達的區(qū)域，如崖谷、溶洞、隕石坑等，需要專用機器人進行科考探測，機器人可在自主或受控狀態(tài)下完成探測任務。

3)月球資源的獲取與采樣任務。采樣作業(yè)任務主要由航天員、機器人、特種專用采樣工具等完成[25]，針對遠距離采樣任務、航天員不可達區(qū)域采樣任務、高保真采樣任務、高風險采樣任務等作業(yè)，共融機器人可發(fā)揮重要作用(圖9)。

圖9 月球資源的獲取與采樣[25]Fig.9 Acquisition and sampling of lunar resources[25]

4)月面科學實驗。月面實驗是探月工程總體任務的重要組成，利用月球表面獨特的環(huán)境，開展高真空、低重力、無磁場、低干擾條件下各領域、各學科的科學實驗可帶動和促進一系列基礎科學的創(chuàng)新發(fā)展，針對高精度、大量數(shù)據(jù)計算、重復實驗等符合機器人特性的科學實驗任務時，利用機器人取代航天員進行操作或者采用機主人輔的實驗方式可大大減輕對航天員的技能要求，提高實驗結(jié)果可靠性。

5)月面基地建造任務。根據(jù)月球探測的總體構(gòu)想，將在月面建成可實現(xiàn)航天員居住的月球基地。該項任務涉及到一系列大型的作業(yè)活動，建成后的月球基地擁有月面工作平臺、月面生活艙，月面能源供給站、月面/環(huán)月立體通信網(wǎng)絡、月面活動系統(tǒng)等，是一個較為完備的能夠自主運行的月球科學試驗、生產(chǎn)制造活動系統(tǒng)[26](圖10)。具體的建造過程包含建造設備的搬運、組裝、原位資源的采集和利用等，由于航天員在出艙身穿航天服狀態(tài)下，運動能力和效率大幅下降，所以整個月面基地的建造活動需要特種機器人的輔助，通過人機接口等協(xié)作技術(shù)對航天員進行感知增強輔助和運動增強輔助，完成月面設施建造任務。

圖10 月球基地設想[26]Fig.10 Conception of lunar base[26]

6)月面設施設備安裝、維修任務。在前期可靠探測中需要對多種設備進行安裝投放，可能會涉及大范圍的機動或者高風險作業(yè)任務，這些任務均可由機器人來執(zhí)行[27-28]。此外在月面高低溫、強輻射、月塵環(huán)境下探月設備存在損壞的風險，需要進行維護維修以及保養(yǎng)(圖11)，針對無人值守狀態(tài)下或高風險的維修任務，將主要以機器人為主要執(zhí)行載體進行維修，此時航天員可進行遙操作或輔助操作。

圖11 ESA Justin對基地設備進行維護Fig.11 Maintenance of base equipment by ESA robot Justin

7)危險情況下救援任務。航天員在進行出艙作業(yè)任務或者進行遠距離作業(yè)任務時出現(xiàn)緊急情況，比如航天員失去行動能力時，按照不同的情況可選擇不同的救援設備進行緊急救援，載人月球車可作為備選方案之一，當載人月球車無法達到指定區(qū)域時，則需要選擇特種機器人進行救援，比如腿足式機器人[29]等(圖12)。

圖12 機器人緊急情況救援[29]Fig.12 Robot emergency rescue[29]

3.2 共融機器人能力需求

月面機器人作業(yè)系統(tǒng)主要由航天員與機器人組成，人機的不同特性可從3個維度進行剖析(表1)。與機器人相比，人在智能決策、綜合感知、意外情況處理方面具有明顯優(yōu)勢，而機器人在快速復雜運算、惡劣環(huán)境探測、單調(diào)重復任務等方面有優(yōu)勢，因此二者在任務執(zhí)行過程中可以優(yōu)勢互補，在月面駐留活動中實現(xiàn)多種作業(yè)任務[30]，在共融機器人作業(yè)體系下(圖13)，對共融機器人的能力需求如圖14所示。

表1 人-機特性Table 1 Man-machine characteristics

圖13 共融機器人作業(yè)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Fig.13 Hierarchical architecture of human-machine integration

圖14 月面共融機器人的能力需求Fig.14 Capability requirements of lunar Tri-Co robots

3.3 共融機器人關鍵技術(shù)

根據(jù)國內(nèi)外共融機器人的技術(shù)發(fā)展水平和目前所掌握的技術(shù)儲備，結(jié)合月面低重力、大溫差、月塵等特殊典型環(huán)境，共融機器人還有以下關鍵技術(shù)需要解決：

1)適應月面復雜地形地貌條件的總體設計和系統(tǒng)集成技術(shù)。月面環(huán)境對共融機器人提出了苛刻的高適應性要求，對共融機器人的構(gòu)型、配置方式進行深入探索和研究，建立適應月面環(huán)境的共融機器人系統(tǒng)的設計理論和設計方法；開發(fā)與新型移動系統(tǒng)相適應的控制系統(tǒng)；研制功能結(jié)構(gòu)一體化原理樣機，以上總體設計與系統(tǒng)集成關鍵技術(shù)是共融機器人實現(xiàn)月面機動的關鍵。

2)適應月表環(huán)境的各分系統(tǒng)元器件設計與選型。月面的真空、低重力、高低溫、輻射、大氣環(huán)境以及月球地形地貌、月壤的物理學性質(zhì)、月塵環(huán)境、月表溫度等因素對機器人的結(jié)構(gòu)、材料、電子元器件、機動能力、工作壽命等都會帶來嚴重影響，不同于地球環(huán)境下共融機器人的設計研發(fā)方式，面向月表環(huán)境的機器人必須將月表環(huán)境做為重大制約因素予以關注，指導各分系統(tǒng)設計和元器件選型。

3)復雜月面地形下多模步態(tài)穩(wěn)定性與軟硬件系統(tǒng)。月面移動機器人應具備自主作業(yè)和遠距離作業(yè)的能力，要求共融機器人在應對復雜月面環(huán)境時應穩(wěn)定可靠，可實現(xiàn)多模步態(tài)的自由平滑切換。在月面機動時，共融機器人可能面臨各種工況條件，需要結(jié)合視覺系統(tǒng)、導航定位系統(tǒng)和決策系統(tǒng)在不影響機器人穩(wěn)定性的情況下實時進行步態(tài)切換。基于多傳感器的數(shù)據(jù)融合感知機器人根據(jù)空間環(huán)境和地面地貌地形數(shù)據(jù)信息，完全實現(xiàn)機器人復雜大擾動環(huán)境下“足-眼-腦”協(xié)同行走。適合月面工作環(huán)境的相應軟硬件系統(tǒng)需要進行攻關解決。

4)人機智能交互與感知導航移動作業(yè)軟硬件系統(tǒng)。一般情況下，共融機器人需要與航天員進行適時通訊，以接受指令并完成月面作業(yè)任務，為保證機器人可靠性與交互靈活性，機器人應支持多種交互和控制方式。機器人的自主行走和返航要求機器人具備改制導航系統(tǒng)，如何搭建月面環(huán)境下機器人智能交互與感知導航軟硬件系統(tǒng)決定了機器人能否實現(xiàn)與航天員協(xié)同以及遠程作業(yè)功能。

5)共融機器人動力驅(qū)動集成與性能優(yōu)化技術(shù)。共融機器人的續(xù)航問題是保證機器人具備長時間工作能力的關鍵，為解決機器人輕量化需求和高續(xù)航能力之間的矛盾，需要進行機器人動力系統(tǒng)匹配與性能優(yōu)化，提高系統(tǒng)效率，降低系統(tǒng)功耗。

6)共融機器人可靠性與自主安全技術(shù)。由于共融機器人系統(tǒng)復雜，容易受到各種干擾的影響，容錯率較低，容易發(fā)生故障。機器人作為拓展航天員月面活動范圍、提高工作效率的輔助設備，不應成為航天員的累贅。提高機器人的可靠性，降低對航天員維修能力和操控能力的依賴極其重要。此外機器人在月面全域機動時有可能遇到突發(fā)情況，導致機器人遭受撞擊、跌落、側(cè)摔等，在這些情況下要求機器人能夠承受一定范圍內(nèi)的沖擊載荷，特別是在跌倒時具備自主恢復功能可大大拓寬機器人應用范圍，提高機器人作業(yè)能力。機器人應具備狀態(tài)自檢功能，同時具備一定的自修復能力，在嚴重損傷狀態(tài)下可以降級使用，提高機器人的可靠性和自主安全。

4 首次載人登月任務的共融機器人應用展望

4.1 能力需求和作業(yè)任務

對于具備長期作業(yè)能力的月球基地任務系統(tǒng)，應具備表2所示的幾種能力。按照緊急和重要2個維度對各個能力進行評價，從而推出針對我國首次載人登月任務中人機共融機器人系統(tǒng)所要具備的能力需求。表3中列出的是首次載人登月作業(yè)任務目標，具體執(zhí)行任務目標不宜過于復雜，應該以考核任務安全和驗證技術(shù)可行性為主要目的。

表2 人機共融機器人系統(tǒng)能力需求Table 2 Capability requirements for Tri-Co robot system

表3 首次載人登月作業(yè)任務目標Table 3 Objectives of the first manned lunar landing mission

4.2 人機共融機器人工作模式

我國首次載人登月人機共融機器人作業(yè)系統(tǒng)工作模式可具體分為航天員出艙作業(yè)和航天員艙內(nèi)作業(yè)2種，2種模式下均需要機器人作業(yè)系統(tǒng)完成必要的作業(yè)任務。

在航天員出艙作業(yè)模式下(圖15)，主要以人主機輔為主，機器人作為航天員的能力邊界延伸，輔助任務執(zhí)行，完成以下高風險作業(yè)：

1)月面人機協(xié)同行走、探測；

2)月面資源采樣、存儲；

3)科學儀器實驗設備的安裝與投放；

4)航天員駕駛月球車并搭載機器人實現(xiàn)小范圍機動；

5)利用共融機器人進行復雜任務作業(yè)、極端地形探測、高風險作業(yè)等。

圖15 航天員出艙作業(yè)工作模式Fig.15 Astronaut extravehicular operation modes

在出艙作業(yè)模式下，航天員-機器人作業(yè)系統(tǒng)的共融工作模式可具體細化為圖16。

航天員艙內(nèi)作業(yè)模式(圖17)主要指航天員在載人艙或者基地的情況下通過人機接口或其它控制方式指揮艙內(nèi)外機器人進行作業(yè)，該模式作業(yè)采用機主人輔工作模式，機器人依靠指令或自主完成任務作業(yè)，可以避免航天員艙外作業(yè)所面臨的風險，延伸航天員作業(yè)能力[31]。

圖16 月面作業(yè)任務人機共融工作模式Fig.16 Tri-Co robot operation modes in lunar tasks

圖17 航天員艙內(nèi)作業(yè)工作模式Fig.17 Astronaut intravehicular operation modes

5 結(jié)論

1)在月球探測的任務中，具有復雜地形適應能力和任務執(zhí)行能力的共融機器人具有巨大的應用潛力，共融機器人將成為未來深空探測的重要組成部分，可在航天員月面大范圍機動、航天員出艙支持與能力增強、科學設備載荷安裝、月球基地基礎設施建設、科普示教等方面發(fā)揮重要作用。

2)實現(xiàn)從原理樣機到工程應用的過渡，還需要解決一系列關鍵技術(shù)。從頂層規(guī)劃入手，加大對共融機器人研發(fā)的支持力度；推動國內(nèi)外共融機器人研究團隊成立聯(lián)合研發(fā)團隊；對實現(xiàn)共融機器人月面應用相關的關鍵技術(shù)進行集中攻關突破；建立健全人機共融的月面機器人體系，從而有效推動共融機器人深空探測的長遠發(fā)展。

3)針對我國首次載人登月應該主要以考核任務安全和驗證技術(shù)可行性為主要目的，按照小范圍探測、適度科學實驗、初步資源探測以及資源樣本采樣返回的方案實施，為后續(xù)任務提供技術(shù)和數(shù)據(jù)支撐。

4)根據(jù)月面駐留活動中不同的作業(yè)任務與作業(yè)環(huán)境，可采用不同構(gòu)型與配置的月面共融機器人系統(tǒng)，進一步提高機器人對極端月面環(huán)境和復雜操作任務的適應能力與任務執(zhí)行效能。