孫俊凱 孫澤洲 辛鵬飛，3 劉 賓，3 危清清，3 閆楚良

1.吉林大學機械與航空航天工程學院，長春，130025 2.北京空間飛行器總體設計部，北京，1000943.空間智能機器人系統(tǒng)技術與應用北京市重點實驗室，北京，100094

0 引言

作為航天活動重要領域之一的深空探測，以月球及更遠星球為探測對象，開展飛越、環(huán)繞、硬著陸、軟著陸、無人采樣返回、載人探測等多種形式的探測活動[1]，對研究太陽系乃至宇宙起源、開發(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50年代蘇聯(lián)發(fā)射世界第一個月球探測器——“月球1號”以來，世界各國共進行了200余次深空探測活動。進入21世紀后，世界主要航天大國更是紛紛制定了新的深空探測發(fā)展戰(zhàn)略[3]，深空探測再一次成為世界關注的熱點。由于著陸探測能夠實地獲取星球信息、開展原位分析研究工作，故著陸探測成為多數(shù)探測任務的主要探測形式[4]。為了降低成本與風險，著陸探測初期往往采用探測機器人代替宇航員對星球進行著陸以及取樣探測[5]。著陸探測機器人的性能對整個深空探測任務具有極大的影響[6]。

為進行星球著陸探測任務，世界主要航天大國提出了多種著陸探測機器人，獲得了豐碩的研究成果。依照移動方式，著陸探測機器人可以分為輪式與足式兩種[7-8]。目前實際應用的星球著陸探測機器人多采用輪式結構，如中國的“玉兔號”月球車、美國的“勇氣號”[9]與“好奇號”火星車[10]。輪式探測機器人運動平穩(wěn)，在相對平坦的地形中運動速度較快，但越障能力偏低。

現(xiàn)階段探測區(qū)域多局限于平坦地形，如月球探測區(qū)域多集中于月海等，對崎嶇地形處的探測相對有限[11]。隨著深空探測任務的深入，更加具有科學探測價值的地區(qū)逐漸變成探測重點，如可能存在水冰的月球南極陰影區(qū)[12]，但此類地區(qū)地形復雜，依靠輪式探測機器人難以完成探測。相對而言，足式探測機器人可以通過步態(tài)變化適應復雜多變地形，其地形適應能力相對較強，這對擴大探測范圍具有重要意義[13]。

足式結構機器人可以分為純足式結構與輪足復合結構兩種。多數(shù)輪足復合結構以足式結構為基礎，通過在足端安裝輪子實現(xiàn)足式結構與輪式結構的融合。然而，足式機器人普遍結構復雜[14-15]，造成控制困難、可靠性較低等問題[16]，導致其遲遲無法在實際深空探測任務中應用。

針對深空著陸探測中復雜地形探測特點，世界主要航天大國與組織提出了多種深空著陸探測足式機器人。本文首先介紹了美國、歐洲與中國面向深空著陸探測任務的足式機器人的研究現(xiàn)狀；然后對比分析了不同機器人的優(yōu)缺點，歸納了足式機器人在現(xiàn)階段深空著陸探測無法走向工程化的問題；最后總結了深空著陸探測足式機器人未來發(fā)展的關鍵技術，為足式機器人在深空著陸探測領域的工程應用提供參考。

1 中美歐深空著陸探測足式機器人的發(fā)展

1.1 美國

1.1.1Ambler機器人

Ambler機器人是由美國卡內基梅隆大學與噴氣推進實驗室于1988-1991年間聯(lián)合研制的星球探測六足機器人，如圖1所示[17-18]。Ambler機器人的每條腿均為直角坐標式腿，借助腿內齒條調節(jié)機體豎直方向位置，以此跨越障礙[19]。Ambler機器人長約3.5 m，寬約4.5 m，高度可在4.1～6.0 m內調節(jié)，最大能夠跨越1.5 m壕溝[20]。該機器人重約2050 kg，可以負重約1100 kg[21]。

圖1 Ambler 室內實驗[17]

Ambler機器人通過任務控制架構整合子系統(tǒng)，操作人員根據中心任務控制器采集到的步態(tài)規(guī)劃模塊、腿部恢復模塊、地形感知模塊等信息，利用實時控制器控制機器人運動[22]。Ambler機器人通過搭載的激光雷達、力傳感器、位姿傳感器構建周邊地形的三維圖，以此為基礎規(guī)劃機器人運動。此外，機器人的傳感系統(tǒng)還可以實時監(jiān)測機器人姿態(tài)，從而輔助自身姿態(tài)調節(jié)，以保持穩(wěn)定[23]。限于當時技術水平，該機器人僅能采用有限步態(tài)模式完成相對簡單的任務，難以適應星球表面復雜多變的環(huán)境，其實際工程應用的前景受到了明顯限制。

1.1.2DanteⅡ機器人

DanteⅡ是由美國卡內基梅隆大學在1994年研制的一款用于星球探測任務的八足機器人，如圖2所示[24]。機器人整體尺寸約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到了1.3 m。

圖2 Dante Ⅱ火山實驗[24]

Dante Ⅱ機器人搭載了一對立體相機、兩軸激光掃描儀與力傳感器，用以感知環(huán)境與自身信息，為工作人員控制機器人提供參考[25]。Dante Ⅱ機器人系統(tǒng)最關鍵的部件當屬長300 m的機載電纜，電纜一端連接基站處的錨點，一端連接機器人。機器人處于斜坡時電纜拉緊以保持機器人穩(wěn)定，并能夠減小機器人腿部受力[26]。通過此種方式，機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，機器人運動方向必須與電纜方向保持一致，這極大限制了機器人探測范圍。

在火山探測實驗中，Dante Ⅱ機器人通過基站與電纜，可以穩(wěn)定接收120 km以外工作人員發(fā)出的指令，實現(xiàn)相應運動[27-30]，但是機器人能源供給與控制命令的獲取過度依賴于通過電纜相連的基站，無法通過自身設備直接與遠程控制人員傳輸數(shù)據，增加了探測所需成本，極大限制了機器人探測距離。

1.1.3Athlete機器人

美國國家航空航天局(NASA)計劃在2024年重新實現(xiàn)載人探月，并將建立永久月球基地。為了在此之前通過巡視器完成選址與資源勘探等任務，噴氣推進實驗室于2005年研制了全地形六足地外探測器Athlete的第一代樣機SDM，其底盤采用六邊形結構，如圖3所示。該機器人底盤每條邊配置一條六自由度的機械腿，機械腿末端處安裝有驅動輪，一側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重300 kg。其蹲姿高度為0.5 m，行進時高度可達2 m。SDM采用輪式移動時可在15°斜坡上運動，而足式移動時可在35°斜坡上運動。

圖3 Athlete SDM 攀爬懸崖[31]

2009年，噴氣推進實驗室成功研制了Athlete機器人的第二代樣機T12。如圖4所示，T12由兩個三足機器人對接組成，每條腿具有7個自由度，使之能夠滿足更多工作要求[34-38]。T12不僅具有SDM的全部功能，而且運動更加靈活，負重能力更強。T12結構尺寸更大，蹲姿高度提高到1.1 m，行進高度則達到6.4 m，越障能力顯著提高。此外，T12地面重力條件下能夠負重約500 kg，但其自重達1440 kg，負重相比第一代樣機略有下降。

圖4 Athlete T12 卸載貨物[35]

為便于遙操作及自主運行管理，T12上搭載了許多子系統(tǒng)，例如動力源系統(tǒng)、計算系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等。T12利用15個立體測繪相機獲得周圍地形環(huán)境的全景圖像，圖像經處理后形成探測器周邊的三維虛擬地形環(huán)境?？刂破饕源藶閰⒄找?guī)劃探測器運動，使得T12的自主運動能力得到了極大的提升。

1.2 歐洲

1.2.1SpaceClimber機器人

2010年，德國人工智能研究中心研制了一款仿昆蟲六足機器人SpaceClimber，其主要功能是探測月球表面環(huán)形山，如圖5所示[39-40]。整機重約23kg，具有26個自由度，機身可以沿縱向與橫向進行直線運動，并能實現(xiàn)最大轉向速度7°/s的轉向運動。

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

SpaceClimer機器人的六條腿分布于機身兩側，兩前腿安裝于前部機身，四條后腿安裝于后部機身。機身前部相對較小，搭載了pico-ITX PC板以及兩個力/力矩傳感器控制板[41-42]。機身后部為主要電子設備安裝部位，搭載了中心控制板、四個力/力矩傳感器控制板、慣性測量單元、Ethernet 交換機、無線通信模塊、能源供給測量板、七個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)控制模塊主要通過運動驅動器計算期望關節(jié)角度，控制機器人運動，以保持機器人姿態(tài)。中心模式發(fā)生器主要用于生成節(jié)律運動，保持機器人運動協(xié)調性。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器人運動過程中腿部與障礙的碰撞，升降反射用于保持著地相期間機器人足端時刻觸地。由于反射控制模式持續(xù)處理機器人狀態(tài)信息，機器人可以對地形變化、外界擾動等快速做出響應，有效提高了機器人地形適應能力[43]。

1.2.2Rimres機器人

德國宇航中心于2012年提出了可重構多機器人月面探測系統(tǒng)的概念，旨在通過重構滿足月面探測多任務要求。以此為基礎，面向月球南極地區(qū)水冰探測任務，德國人工智能中心研制了由四輪機器人Sherpa與六足機器人Crex組成的機器人系統(tǒng)Rimres，Sherpa與Crex可以獨立工作，也可以通過接口連接協(xié)同工作。Sherpa機器人整機重約160 kg，構型如圖6所示。Sherpa機器人可以通過機體上的機械臂根據任務要求選擇裝配負載。此外機械臂還能作為第五條腿，輔助機器人攀爬障礙等。Sherpa機器人可以利用主動懸掛系統(tǒng)調節(jié)重心投影與支撐區(qū)域投影的關系，并根據地形選擇機體運動模式，例如平面全方向移動、爬行運動等。如圖7所示，六足機器人Crex以SpaceClimber機器人為基礎，主要用于翻越地形障礙，進行月面環(huán)形山等崎嶇地形的探測，整機重約27 kg[44-46]。

圖6 Sherpa借助主動懸架攀登障礙[44]

圖7 Crex模擬撞擊坑實驗[44]

Sherpa機器人通過機電接口(Electromechanical Interface，EMI)攜帶Crex機器人，實現(xiàn)機器人間數(shù)據的傳輸。此外，EMI還能夠連接模塊化載荷，如電池模塊、科學探測儀器模塊等，從而適應多種科學探測任務需要，這極大地提高了Sherpa機器人系統(tǒng)的可重構能力。如圖8所示，EMI通過電機驅動閂鎖機構主動部分，完成機器人與載荷設備機械連接。此外，EMI還獨立安裝了控制電路板，控制閂鎖機構以及照明LED燈。完成連接后，控制器能夠建立局部信息交流通道，獲取機器人姿態(tài)結構信息，并傳輸相應高級控制指令。

1.閂鎖機構驅動電機 2.閂鎖機構主動部分 3.輔助定位銷 4.電子連接模塊

如圖9所示，2018年，德國宇航中心發(fā)布了Sherpa TT機器人，整機重約166 kg，可承載80 kg，其整機具有26個自由度，能夠跨越0.772 m的障礙，最大運動速度可達0.7 m/s，陡峭地形運動平均功率約250 W。Sherpa TT搭載了雷達、力傳感器、高度傳感器、相機、激光掃描儀等設備，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：高層控制利用機載電腦實現(xiàn)自主導航與控制；中層控制同樣在機載電腦上運行，主要實現(xiàn)機器人運動控制以及主動懸架調節(jié)；底層控制通過微型處理器實現(xiàn)關節(jié)控制以及傳感器信息預處理[47]?；谧愣肆π畔⒁约皺C體俯仰角、滾轉角信息，Sherpa TT能夠完成斜面地形主動適應、支撐區(qū)域內重心豎直方向提升、機體俯仰角與滾轉角主動調節(jié)等任務，在松軟的沙土地形中適應性良好[48]。Sherpa TT雖然能夠依靠高層控制實現(xiàn)部分自主控制，但其智能水平相對較低，主要依靠人工決策結合中層、底層控制模塊實現(xiàn)機器人運動控制。

圖9 Sherpa TT沙漠環(huán)境實驗[47]

1.2.3Charlie機器人

2016年，德國人工智能研究中心仿照黑猩猩的運動方式，設計了一種月球探測機器人Charlie，如圖10所示[49]。整機重約21.5 kg，具有36個自由度，最大運動速度可達0.27 m/s[50]。

(a)四足姿態(tài) (b)兩足姿態(tài)

Charlie機器人能夠在兩足和四足運動模式間自由切換以適應不同地形。機器人四足模式轉換成兩足模式時，首先收攏后腿，隨后借助脊柱向后移動重心至重心投影位于后腿支撐區(qū)域內時停止，最后提高機體重心，使前臂與地面分離，實現(xiàn)四足至兩足切換。機器人兩足模式切換四足模式時，首先彎曲膝蓋和脊柱，右側前臂先觸地，隨后調整重心，左側前臂著地，完成兩足至四足切換。

Charlie機器人采用分層控制系統(tǒng)，其中決策層作為最高層，根據機器人四足或兩足姿態(tài)選擇相應控制模式；其次為反應層，主要計算各關節(jié)角度以控制機器人位置與姿態(tài)，此外反應層還根據足端傳感器信息計算機器人足端支撐區(qū)域，據此調整機器人以保證其穩(wěn)定性；底層控制完成單個關節(jié)運動控制以及傳感器信息的預處理。

為了提高機器人運動中軌跡跟蹤與保持穩(wěn)定的性能，控制系統(tǒng)中應用了局部控制環(huán)(local control loop)對運動中的干擾力做出補償，并根據補償量適當修改期望軌跡，使機器人能在小帶寬、低能耗情況下實現(xiàn)對干擾力的快速響應。局部控制環(huán)還能持續(xù)傳輸傳感器信息，提高了機器人控制系統(tǒng)決策的合理性及計算精確性[51]。

1.2.4Spacebok機器人

Spacebok是由瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院(ETH Zurich)和蘇黎世應用科技大學于2018年聯(lián)合研制的彈跳式六足機器人，如圖11所示，其主要設計用途是在月球或小行星等低重力星體上進行科學探測[52]。機器人髖關節(jié)高度約0.5 m，重約20 kg。Spacebok機器人使用高功率密度的力矩電機作為主動關節(jié)驅動單元，關節(jié)處安裝行星減速齒輪箱，減速比為9.55，當電機工作電流30 A時最大輸出轉矩可達39.5 N·m。這種設計不僅能夠簡化驅動結構，減小驅動單元質量，而且近似直接驅動的配置使關節(jié)力矩信息可以直接通過電流精確計算獲得。Spacebok機器人安裝了被動緩沖機構，利用彈簧降低機器人著地的沖擊，同時為下次起跳儲存能量，降低關節(jié)起跳時電機功耗。在模擬月球重力條件下，機器人連續(xù)跳躍高度可達0.9 m，單次跳躍最大高度可達1.3 m[53]。

圖11 Spacebok 在ETH Zurich測試[52]

機器人控制系統(tǒng)主要分為狀態(tài)估計器、高層控制器與底層控制器三部分。狀態(tài)估計器從底層控制器得到電機以及編碼器信息，并從機器人操作系統(tǒng)ROS獲得慣性測量單元(inertial measurement unit，IMU)信息，以此估計機器人狀態(tài)。高層控制器結合輸入控制指令與機器人狀態(tài)信息計算驅動關節(jié)期望力矩。底層控制器借助EtherCAT網絡與電機通信，控制電機速度以及力矩等。在運動控制方面，Spacebok機器人通過虛擬模型控制器實現(xiàn)了多種靜態(tài)步行的控制。機器人腿部處于空中相時僅使用簡單足端位置控制器；處于著地相時，則通過虛擬模型計算應該施加在機體重心上的期望力和期望力矩，進而換算到關節(jié)處實現(xiàn)機器人控制。地面實驗過程中機器人能夠實現(xiàn)穩(wěn)定運動，表現(xiàn)出良好的跳躍與緩沖性能。

1.3 中國

1.3.1NOROS機器人

2016年，北京航空航天大學設計了一種多分支結構輪足復合機器人NOROS。如圖12所示，NOROS機器人具有四足、六足多種模式。

(a)四足模式 (b)六足模式

NOROS機器人機體半徑為125.8 mm，半球保護罩半徑為89.4 mm，大腿長度為120 mm，上小腿長度為96.2 mm，下小腿長度為132.3 mm，上下小腿之間夾角為140°[54]。機器人腿部作為相對獨立單元，具有三個主動自由度及一個被動自由度。主動關節(jié)采用伺服電機驅動，不僅能反饋關節(jié)角度及力矩信息，而且能實現(xiàn)變剛度控制；被動關節(jié)裝有彈簧及力傳感器，能夠識別機器人足端是否觸地。通過改變機器人小腿構型，NOROS機器人能夠實現(xiàn)輪地接觸與足地接觸的切換，減少了足式移動時輪子與地面接觸磨損，但也導致機器人整體結構復雜，發(fā)生故障的可能性較高。此外，NOROS機器人能夠在傾覆時自主恢復姿態(tài)，避免了機身傾覆影響正常工作[55-56]。

1.3.2E1Spider機器人

2014年，哈爾濱工業(yè)大學研制了一款面向月球探測的大負重比六足機器人E1Spider，如圖13所示[57]，其機體重約121.9 kg，半徑為0.4 m。其單腿由基節(jié)、大腿、小腿及足端緩沖機構構成，基節(jié)長度為0.18 m，重約3.6 kg，大腿和小腿長度均為0.5 m，質量分別為22 kg和7.2 kg。單腿具有根關節(jié)、髖關節(jié)與膝關節(jié)三個主動關節(jié)及腳踝處一個被動關節(jié)。根關節(jié)軸線與機體上下表面垂直，髖關節(jié)和膝關節(jié)軸線相互平行并垂直于根關節(jié)軸線。六條腿均勻分布于機體周圍，使得機器人具有全方向移動能力[58]。樣機負重能力實驗中，E1Spider機器人在攜帶額定全配重時能按照預設三足步態(tài)、四足步態(tài)及五足步態(tài)穩(wěn)定移動，負重比達0.46，遠高于國內外多數(shù)機器人。

圖13 E1Spider樣機負重實驗[17]

E1Spider機器人控制系統(tǒng)由上位機系統(tǒng)與下位機系統(tǒng)組成。上位機系統(tǒng)包括遠程監(jiān)控與操作系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、機載計算機和主要信號采集與處理系統(tǒng)等，主要用于遠程人機交互、機器人移動控制算法實現(xiàn)與信號采集處理；下位機系統(tǒng)指高速高精度多軸運動控制器，用于機器人底層控制。上位機系統(tǒng)與下位機系統(tǒng)借助以太網通信，機載計算機和遠程監(jiān)控與操作系統(tǒng)通過無線通信系統(tǒng)傳輸信息[17]。

1.3.3輪腿式可移動載人月面著陸器

中國空間技術研究院載人航天總體部提出了一種新型輪腿式可移動載人月面著陸器，將下降、著陸、起飛能力與月面機動能力綜合，滿足月面探測多任務要求。著陸器共安裝6條腿，每條腿共三個自由度。地形崎嶇時，著陸器輪腿向內收攏，利用足式結構進行移動，此時著陸器底盤高2.5 m，垂直于行進方向最大跨距為5.1 m，其構型如圖14a所示。地形平坦時，著陸器輪腿向外擴展，利用輪式結構進行移動，此時著陸器底盤高1.2 m，垂直于行進方向最大跨距6.7 m，其構型如圖14b所示。著陸器最高能夠攀爬高度4 m的水平臺階，具有極強的地面適應能力[59]。

(a)慢速狀態(tài)

2 深空著陸探測足式機器人對比

針對未來深空探測任務中的重點方向，如月球極區(qū)水冰探測、火星生命探測、地外探測基地建設等，美國、歐洲和中國都開展了深空著陸探測領域足式機器人的研究。前文所介紹的深空著陸探測足式機器人關鍵技術指標對比見表1。

表1 深空著陸探測足式機器人對比

美國在這方面的研究起步于20世紀80年代末，所研制的機器人多屬大型機器人，整體尺寸與質量相對較大，功耗相對較高，但負載能力與越障能力較強。美國所研制的該類機器人大多具備原理樣機，對關鍵技術進行了相應試驗驗證，整體發(fā)展水平領先于其他國家與地區(qū)。

歐洲對深空著陸探測足式機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)出多個性能優(yōu)越的機器人。歐洲研制的該類機器人整體尺寸與質量相對較小，功耗更低，但是功能相對單一，單體機器人探測能力有限。其中一部分機器人加強了多機協(xié)作方面的能力，如Rimres機器人系統(tǒng)，通過多機協(xié)作在一定程度上提高了探測器系統(tǒng)科學探測能力。

與國外相比，我國在此領域的研究水平相對較低，雖然國內眾多高校與機構研制或提出了多個以深空著陸探測為應用指向的足式機器人，但是各項關鍵技術指標與國外仍存在差距。國內多數(shù)機器人停留在實驗室研究階段，樣機的整體性能相對較差，因此在模擬地外環(huán)境中的試驗相對較少，關鍵技術有待進一步驗證。

3 走向工程化存在的問題

世界各國雖然研制了多種應用于深空著陸探測的足式機器人，但是所有該類機器人均停留在概念設計或原理樣機試驗階段，遲遲無法實現(xiàn)工程化應用，究其原因有以下兩個方面。

(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，機器人與地面通信具有很長的延遲，而且在某些特殊地形(如溶洞、熔巖管等)探測過程中，障礙物會嚴重阻礙機器人控制信號的發(fā)送以及接收，依賴遠程遙控控制機器人無法滿足復雜探測任務的要求。此外，相較于輪式機器人，足式機器人更強的地形適應能力很大程度上依賴于更多自由度，如Charlie機器人具有多達36個主動自由度，這無疑增加了足式機器人控制結構的復雜程度。足式機器人特有的步態(tài)規(guī)劃、主動柔順、足端接觸力控制等控制環(huán)節(jié)給足式機器人自主控制系統(tǒng)的設計帶來了更大的困難?，F(xiàn)階段的機器人控制系統(tǒng)多數(shù)采用人工決策結合機器人中層與底層控制器模式，機器人自主決策的高層控制器智能化程度相對較低，難以適應深空著陸探測中嚴苛的要求。

此外，探測機器人能否高效開展任務很大程度上依賴于機器人自身攜帶的傳感器系統(tǒng)對環(huán)境識別的精度。足式機器人多數(shù)會搭載視覺相機、激光雷達、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)。深空探測任務中，探測機器人硬件系統(tǒng)可靠性對探測任務的成功與否起著極其重要的作用。探測機器人一旦發(fā)生故障，維修難度極大，整個探測任務將受到極大影響。足式探測機器人的地形適應能力明顯強于輪式與履帶式探測機器人，但是其結構復雜程度遠高于其余兩類探測機器人，這無疑造成了足式探測機器人可靠性偏低、工作性能不穩(wěn)定的問題，成為限制足式機器人在深空著陸探測領域工程應用的一個重要原因。

此外，深空探測任務中硬件系統(tǒng)設計需要考慮多方面因素，如結構尺寸、功率消耗、承載能力等。現(xiàn)有足式機器人的硬件系統(tǒng)設計過程大多單純考慮一方面或有限幾個方面指標的約束，在其他性能指標要求方面存在不同程度的問題，這導致硬件系統(tǒng)無法滿足深空著陸探測中多方面的要求。如美國Athlete機器人承載能力出色、能夠在不同地形開展科學探測，但是其結構復雜、尺寸龐大；歐洲的Charlie機器人能夠借助多種運動步態(tài)在復雜地形穿梭，運動能力出色，但是其承載能力有限，無法搭載有效科學探測載荷。

4 深空著陸探測足式機器人關鍵技術

未來深空著陸探測足式機器人實現(xiàn)工程應用需要在以下關鍵技術方面取得突破。

(1)感知融合化技術。深空探測機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)據處理帶來一定的困難，但是提高了傳感器系統(tǒng)的容錯能力。為了增強機器人獲取外界環(huán)境信息的能力，應用高精度、高可靠性傳感器的同時，必須發(fā)展感知融合技術，整體處理不同種類傳感器信息，發(fā)掘隱藏信息，使機器人能夠自主實現(xiàn)遠距離范圍地形的粗略估計、近距離范圍地形的準確估計、關鍵點(如障礙物、探測物)的精確建模，進而為自主導航與開展科學探測提供準確的基礎。

(2)控制智能化技術。深空著陸探測信號傳輸具有時延大、不穩(wěn)定等特點，這對探測機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，需要以足式機器人特點作為出發(fā)點，設計合理科學的自主控制系統(tǒng)。一方面要實現(xiàn)機器人針對復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)調節(jié)，提高機器人自身運動能力與環(huán)境適應能力；另一方面要實現(xiàn)足式機器人科學探測任務的自主規(guī)劃與開展，使得機器人能夠自主選擇具有較高科學研究價值的目標，并采取合適的探測手段，高效地開展科學探測任務。

(3)形態(tài)可重構技術。形態(tài)可重構技術可以分為兩個主要方面：一是整體構型可重構，將整體機器人分成多個結構相對獨立模塊，按照探測任務要求，組合模塊實現(xiàn)整體構型重構；二是局部構型可重構，通過機器人自身某部分變形重構實現(xiàn)部件復用，以滿足不同探測任務的要求。形態(tài)可重構技術需要綜合考慮結構復雜度與可用性方面的約束，在確保機器人可靠性的基礎上，實現(xiàn)機器人一構多用，并能根據任務與地形要求，自主選擇合理構型。此外，機器人形態(tài)的重構必須基于合理的重構規(guī)劃與控制系統(tǒng)，因此，研制穩(wěn)定可靠的可重構結構的同時，必須開發(fā)性能更加優(yōu)越的控制系統(tǒng)，從軟硬件兩個方面提高機器人可重構性。

(4)多機協(xié)同化技術?，F(xiàn)有探測機器人多為單機獨立工作，即使采用著陸器與巡視器組合的探測器系統(tǒng)，如“嫦娥四號”與“玉兔二號”月球車，其主要移動探測任務仍由巡視器單機完成，著陸器發(fā)揮的功能相對有限。現(xiàn)階段多機聯(lián)合移動探測系統(tǒng)應用受限的主要原因在于移動的多機相互定位誤差大、通信效率較低、數(shù)據融合困難等，因此，必須綜合有線與無線兩種通信方式，在單機之間建立穩(wěn)定可靠、傳輸效率高的通信局域網，發(fā)展快捷準確的相互定位方法與數(shù)據融合算法，實現(xiàn)機器人群體中數(shù)據的共享及合作處理，提高多機系統(tǒng)探測能力。各項關鍵技術在現(xiàn)有面向深空著陸探測的足式機器人中的應用程度見表2。

表2 關鍵技術應用程度現(xiàn)狀對比

5 結束語

在未來深空著陸探測任務中，足式機器人能夠通過步態(tài)變化適應復雜地形環(huán)境，這對擴大探測范圍、開展高效持續(xù)科學探測任務具有重要意義。本文從硬件和軟件兩個方面介紹了面向深空著陸探測的足式機器人代表性研究成果，如Ambler、Spacebok、Athlete、Rimres、NOROS等，并對比分析了各自優(yōu)缺點?，F(xiàn)階段研制的深空著陸探測足式機器人多數(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)，這導致機器人感知環(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、負載能力以及結構尺寸等深空著陸探測任務的眾多嚴苛要求。目前世界航天大國對深空著陸探測任務中足式機器人的研發(fā)仍停留在概念設計或樣機試驗階段。實現(xiàn)足式機器人在深空著陸探測任務中的工程應用需要在感知融合化技術、控制智能化技術、形態(tài)可重構技術、多機協(xié)同化技術等關鍵技術方面取得突破。我國要以工程應用為牽引，依托較為成熟的輪式探測器技術基礎，逐步突破關鍵技術，研制智能、高效、可靠的深空著陸探測足式機器人，實現(xiàn)未來深空著陸探測任務中復雜區(qū)域的探測。