于登云，潘 博，馬 超

(1. 中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司，北京 100048；2. 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

0 引 言

星球探測(cè)機(jī)器人是指能夠適應(yīng)地外天體表面環(huán)境,在星球表面平臺(tái)固定或移動(dòng)并攜帶科學(xué)探測(cè)儀器開(kāi)展探測(cè)等活動(dòng)的機(jī)器人。其主要優(yōu)勢(shì)包括拓展科學(xué)探測(cè)范圍;滿足科學(xué)儀器移動(dòng)探測(cè)的需求;克服著陸精度的影響,運(yùn)動(dòng)到感興趣的科學(xué)探測(cè)目標(biāo)位置,解決科學(xué)探測(cè)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)與工程實(shí)施著陸點(diǎn)選取之間的矛盾[1-2]。人類深空探測(cè)活動(dòng)極大地促進(jìn)了星球探測(cè)機(jī)器人的發(fā)展。自20世紀(jì)70年代以來(lái),星球探測(cè)機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于地外天體巡視探測(cè)、行星表面及深層采樣等任務(wù),尤其在月球、火星等探測(cè)任務(wù)中發(fā)揮了重要的作用,取得了諸多珍貴的探測(cè)成果[3-6]。

蘇聯(lián)分別在1970年和1973年的“月球”17號(hào)(Luna 17)探測(cè)器和“月球”21號(hào)探測(cè)器任務(wù)中攜帶了“月球車”1號(hào)(Lunokhod 1)和“月球車”2號(hào)成功落月?！霸虑蜍嚒?號(hào)是人類航天史上第一輛月球車,開(kāi)啟了星球探測(cè)機(jī)器人巡視探測(cè)的新紀(jì)元。

美國(guó)在星球探測(cè)機(jī)器人領(lǐng)域起步較早,尤其在火星探測(cè)方面,先后實(shí)現(xiàn)了三代火星車在火星表面的巡視探測(cè),在高可靠、長(zhǎng)壽命、智能導(dǎo)航與多手段探測(cè)等方面領(lǐng)先。2020年美國(guó)發(fā)射的“毅力”號(hào)火星車攜帶并驗(yàn)證了無(wú)人機(jī)火面飛行技術(shù),開(kāi)啟了移動(dòng)機(jī)器人+飛行機(jī)器人協(xié)同探測(cè)的新階段。

中國(guó)的星球探測(cè)機(jī)器人始于“玉兔”號(hào)月球車?！坝裢谩碧?hào)和它的姊妹“玉兔”2號(hào)分別實(shí)現(xiàn)了月球正面和背面的巡視探測(cè),邁出了中國(guó)星球巡視探測(cè)的第一步,使中國(guó)成為世界上第三個(gè)實(shí)現(xiàn)地外天體巡視探測(cè)的國(guó)家。2021年“祝融”號(hào)火星車實(shí)現(xiàn)中國(guó)首次火星表面巡視探測(cè),使中國(guó)成為世界上第二個(gè)實(shí)現(xiàn)火星巡視探測(cè)的國(guó)家。

隨著天問(wèn)二號(hào)小行星探測(cè)、天問(wèn)三號(hào)火星采樣返回、探月工程四期月球科研站基本型建設(shè)等重大工程任務(wù)的逐步開(kāi)展與實(shí)施,中國(guó)深空探測(cè)的深度和廣度進(jìn)一步提升。在此背景下,星球探測(cè)機(jī)器人的作用愈發(fā)重要。本文在對(duì)星球探測(cè)機(jī)器人分類及其特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)分析的基礎(chǔ)上,分別以月球、火星及小行星探測(cè)為例,系統(tǒng)介紹了國(guó)內(nèi)外深空探測(cè)任務(wù)星球探測(cè)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀,并對(duì)中國(guó)后續(xù)深空探測(cè)任務(wù)星球探測(cè)機(jī)器人的需求與挑戰(zhàn)進(jìn)行了分析,提出了星球探測(cè)機(jī)器人未來(lái)發(fā)展所急需突破的主要關(guān)鍵技術(shù),以期為中國(guó)星球探測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)、研究與應(yīng)用提供參考。

1 分類及特點(diǎn)

1.1 星球探測(cè)機(jī)器人分類

星球探測(cè)機(jī)器人主要包括平臺(tái)固定類探測(cè)機(jī)器人和平臺(tái)移動(dòng)類探測(cè)機(jī)器人,其中平臺(tái)移動(dòng)類探測(cè)機(jī)器人又可分為輪式探測(cè)機(jī)器人、跳躍式探測(cè)機(jī)器人和旋翼式探測(cè)機(jī)器人等。

早期深空探測(cè)任務(wù)中,平臺(tái)固定類探測(cè)機(jī)器人較為常見(jiàn),如美國(guó)的“鳳凰”號(hào)探測(cè)器、“洞察”號(hào)探測(cè)器等。平臺(tái)固定類探測(cè)機(jī)器人往往以機(jī)械臂為主,用以執(zhí)行規(guī)定的動(dòng)作,如樣品采樣、封裝及轉(zhuǎn)移釋放等動(dòng)作,機(jī)械臂末端執(zhí)行器可依據(jù)任務(wù)要求設(shè)計(jì)成特定形式的機(jī)械部件。目前工程成功應(yīng)用的平臺(tái)移動(dòng)類探測(cè)機(jī)器人多為輪式星球探測(cè)機(jī)器人,如美國(guó)的“好奇”號(hào)、“毅力”號(hào)以及中國(guó)的“玉兔”號(hào)、“祝融”號(hào)等。輪式星球探測(cè)機(jī)器人具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)速度較快和控制容易等優(yōu)點(diǎn),但對(duì)復(fù)雜未知非結(jié)構(gòu)環(huán)境(如松軟土質(zhì)或巖石密集的星球表面)的適應(yīng)能力較差[7]。跳躍式星球探測(cè)機(jī)器人跳躍方式受地形約束小、運(yùn)動(dòng)靈活,相比于輪式探測(cè)機(jī)器人能夠更好地完成復(fù)雜地形下的探測(cè)任務(wù),在小行星、彗星等小天體探測(cè)領(lǐng)域具有較大優(yōu)勢(shì),如日本的MINERVA-I[8]、MINERVA-II和德國(guó)的MA-SCOT[9-11]等。旋翼式星球探測(cè)機(jī)器人適用于對(duì)具有大氣環(huán)境的星體實(shí)施探測(cè),如與“毅力”號(hào)一起抵達(dá)火星的旋翼式探測(cè)機(jī)器人“機(jī)智”號(hào)(Ingenuity),其可通過(guò)借助大氣環(huán)境提供的升力以較低的能源代價(jià)實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的飛行探測(cè)。

1.2 星球探測(cè)機(jī)器人特點(diǎn)

星球探測(cè)機(jī)器人的任務(wù)可以概括為:適應(yīng)目標(biāo)天體表面的各種環(huán)境,攜帶科學(xué)儀器開(kāi)展移動(dòng)探測(cè)活動(dòng),將探測(cè)數(shù)據(jù)回傳及實(shí)施采樣,甚至原位分析,并在未來(lái)還將擔(dān)負(fù)基地建造、運(yùn)營(yíng)等任務(wù)。其主要功能包括適應(yīng)任務(wù)全過(guò)程的力學(xué)環(huán)境和空間環(huán)境;著陸后安全到達(dá)星球表面;通過(guò)環(huán)境感知了解探測(cè)器周圍環(huán)境信息,規(guī)劃路徑并運(yùn)動(dòng)至目標(biāo)位置;對(duì)感興趣的科學(xué)目標(biāo)進(jìn)行就位探測(cè)、篩選、取樣、存貯及轉(zhuǎn)移;建立測(cè)控與通信鏈路,接受指令,并將探測(cè)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果傳回地面。平臺(tái)移動(dòng)類探測(cè)機(jī)器人還應(yīng)具備與地形條件相匹配的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、爬坡、越障等能力。相應(yīng)地,上述功能需求使得星球探測(cè)機(jī)器人在移動(dòng)、能源、感知與導(dǎo)航、控制、熱控等方面與其它航天器有著不同的特點(diǎn)。

在移動(dòng)方面,平臺(tái)移動(dòng)類探測(cè)機(jī)器人的移動(dòng)能力關(guān)系到星球探測(cè)機(jī)器人在星表地形下的通過(guò)能力,因此至關(guān)重要。蘇聯(lián)“月球車”1號(hào)是一輛8輪月球車,移動(dòng)底盤(pán)對(duì)稱裝配8套扭力梁式獨(dú)立懸架機(jī)構(gòu),轉(zhuǎn)向通過(guò)兩側(cè)車輪差動(dòng)實(shí)現(xiàn),但其在月面行駛過(guò)程中遇到了車輪在疏松凹陷月壤中空轉(zhuǎn)問(wèn)題和推土效應(yīng)。美國(guó)開(kāi)發(fā)的三代火星車均采用6輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng),并使用前后共4個(gè)車輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向的Rocker-bogie懸架形式,但是應(yīng)用中仍然遇到了車輪沉陷、打滑及磨損的問(wèn)題。中國(guó)“玉兔”號(hào)月球車采用6輪驅(qū)動(dòng)、4輪轉(zhuǎn)向的主副搖臂懸架形式,但搖臂采用固定式結(jié)構(gòu),收攏和展開(kāi)能力不足[12]?！白Ｈ凇碧?hào)火星車充分借鑒“玉兔”號(hào)研制經(jīng)驗(yàn),采用6個(gè)驅(qū)動(dòng)輪主副搖臂懸架形式及主動(dòng)懸架設(shè)計(jì),車體高度、質(zhì)心位置和輪間距可以自動(dòng)調(diào)整,具有蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)功能,沉陷脫困和爬坡能力得以提高[13]。

在能源方面,能源問(wèn)題一直是星球探測(cè)機(jī)器人需要解決的難題,也是未來(lái)星球基地建設(shè)所要面臨的重要挑戰(zhàn)。無(wú)論是當(dāng)前的星球探測(cè)機(jī)器人還是未來(lái)的星球基地,必須有穩(wěn)定充足的能源動(dòng)力供應(yīng),才能為各類儀器設(shè)備、采樣作業(yè)工具以及通信導(dǎo)航等提供保障。蘇聯(lián)的“月球車”、美國(guó)的第一代和第二代火星車、中國(guó)的“玉兔”號(hào)月球車和“祝融”號(hào)火星車上安裝有太陽(yáng)能電池板為其供給能源,但太陽(yáng)能電池板嚴(yán)格受日照窗口約束,易被月塵和火塵覆蓋降低發(fā)電效率。美國(guó)第三代火星車“好奇”號(hào)和“毅力”號(hào)采用多任務(wù)同位素溫差發(fā)電機(jī)(MMRTG)代替太陽(yáng)能電池板為其供給能源,探測(cè)效率和工作壽命得以較大提升。

在感知與導(dǎo)航方面,星球探測(cè)機(jī)器人要在目標(biāo)天體自然地形環(huán)境中行駛并安全到達(dá)預(yù)定工作點(diǎn),必須具備危險(xiǎn)與障礙識(shí)別、自身姿態(tài)與位置確定、目標(biāo)位置確定、路徑規(guī)劃等能力。蘇聯(lián)“月球車”1號(hào)駛抵月表后,由于攝像機(jī)安裝位置較低致使視場(chǎng)受限,加之受當(dāng)時(shí)攝像技術(shù)限制,其回傳畫(huà)面明暗對(duì)比較強(qiáng),使地面人員難以分辨石塊和凹坑。目前星球探測(cè)機(jī)器人感知與導(dǎo)航系統(tǒng)一般配置雙目相機(jī),其環(huán)境感知通常采用基于相機(jī)的被動(dòng)視覺(jué)環(huán)境感知方案,利用立體視覺(jué)匹配算法實(shí)現(xiàn)周圍地形三維恢復(fù)與重建。星球探測(cè)機(jī)器人的絕對(duì)定位和相對(duì)定位一般采用基于視覺(jué)系統(tǒng)的圖像匹配、基于里程計(jì)的航位推算、路標(biāo)特征匹配等方法[14-17]。此外,近年來(lái)隨著NASA在人工智能與空間信息感知方面的探索,其第三代火星車已較好地支持了對(duì)火星表面高價(jià)值科學(xué)目標(biāo)的自主識(shí)別與測(cè)量,大幅提升了火星車的自主生存能力和巡視探測(cè)效率。

在控制方面,星球探測(cè)機(jī)器人可分為遙操作和自主控制兩種形式。星球探測(cè)機(jī)器人的遙操作是指在相關(guān)機(jī)器人控制中把地面人員操作包含在控制回路中,任何的上層規(guī)劃和認(rèn)知決策都是由地面人員下達(dá),而探測(cè)機(jī)器人本體只是負(fù)責(zé)相應(yīng)的實(shí)體執(zhí)行。當(dāng)通信時(shí)效性滿足,機(jī)器人在處理復(fù)雜任務(wù)時(shí),尤其是在快速做出決策和處理極端情況時(shí),遙操作將優(yōu)于器上程序控制[18-19]。但當(dāng)探測(cè)任務(wù)中目標(biāo)天體距離遙遠(yuǎn)時(shí),星球探測(cè)機(jī)器人通信時(shí)效性較難滿足,需要考慮上傳指令的時(shí)間延遲、空間遮擋、數(shù)據(jù)傳輸速率、長(zhǎng)期可靠運(yùn)行等因素。通過(guò)充分利用星球探測(cè)機(jī)器人軟硬件資源和控制資源而實(shí)施自主控制,可解決時(shí)間延遲大與星球探測(cè)機(jī)器人控制實(shí)時(shí)性要求高之間的矛盾,提升任務(wù)執(zhí)行效率[20]。

在熱控方面,星球探測(cè)機(jī)器人熱設(shè)計(jì)常面臨著地外星體表面晝夜外熱流變化較大的問(wèn)題,如月球車即面臨月晝高溫下熱排散問(wèn)題和月夜沒(méi)有太陽(yáng)能可利用情況下溫度環(huán)境保障問(wèn)題,而這一問(wèn)題在月面極區(qū)低太陽(yáng)高度角及永久陰影坑內(nèi)的探測(cè)過(guò)程中尤為突出。針對(duì)高溫問(wèn)題,星球探測(cè)機(jī)器人一般采用設(shè)備頂面布置方式,以縮短設(shè)備到頂板散熱面的熱傳輸途徑,在極端高溫情況下利用太陽(yáng)能電池板遮陽(yáng)等方式加以解決;針對(duì)月夜低溫問(wèn)題,利用兩相流體回路將同位素?zé)嵩吹臒崮茉谛枰獣r(shí)引入艙內(nèi),保證溫度環(huán)境要求。星球探測(cè)機(jī)器人為解決光伏發(fā)電、電加熱控制溫度過(guò)程效率較低的問(wèn)題,通常利用集熱窗技術(shù),白晝吸收熱量并將能量存儲(chǔ)于相變材料之中,夜晚材料凝固放熱,保證機(jī)器人及其儀器設(shè)備始終處于合適的溫度范圍[21-22]。

由上述星球探測(cè)機(jī)器人任務(wù)功能和特點(diǎn)可知,現(xiàn)有星球探測(cè)機(jī)器人大多具有容錯(cuò)性高、環(huán)境感知能力強(qiáng)、擁有一定自主控制能力等優(yōu)點(diǎn),但現(xiàn)階段仍存在移動(dòng)速度較慢、能源獲取方式單一、遙操作反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)等不足。因此,面向未來(lái)的月球、火星長(zhǎng)期駐留與探測(cè)任務(wù),仍需進(jìn)一步研究新型移動(dòng)方式、新型能源獲取方式以及新型通信、控制方式,以實(shí)現(xiàn)星球探測(cè)機(jī)器人的高機(jī)動(dòng)性、高自主性、高可靠性。

2 發(fā)展現(xiàn)狀

下面分別以月球、火星、小行星等目前人類探測(cè)器涉足過(guò)的地外天體為例,將星球探測(cè)機(jī)器人研究現(xiàn)狀介紹如下。

2.1 月球探測(cè)機(jī)器人

1970年11月10日,蘇聯(lián)“月球”17號(hào)探測(cè)器成功發(fā)射,其上搭載了世界上第一輛月球車即“月球車”1號(hào),并于11月17日在月面雨海(Mare Imbr-ium)成功著陸。著陸后“月球車”1號(hào)駛離著陸器,在月面進(jìn)行了為期10個(gè)半月的科學(xué)考察。這輛月球車質(zhì)量756 kg,長(zhǎng)2.2 m,寬1.6 m,裝有攝像機(jī)和同位素?zé)嵩囱b置。它在月面上行駛了10 540 m,拍攝了20 000多張?jiān)旅嬲掌?直到1971年10月4日因同位素?zé)嵩催_(dá)到使用壽命才停止工作[23-24]。1973年1月8日發(fā)射的“月球”21號(hào)探測(cè)器,把“月球車”2號(hào)送上月面,如圖1所示。該車在月面約四個(gè)月的時(shí)間里累積行駛了約39 km,成功完成了考察任務(wù)并取得了諸多成果。

圖1 “月球車”2號(hào)Fig.1 Lunokhod 2

俄羅斯聯(lián)邦航天局制定過(guò)登陸月球的“月球-全球”(Luna-Glob)計(jì)劃,原定于2012年發(fā)射,現(xiàn)已延期。其最新計(jì)劃是在2024年發(fā)射“月球”25號(hào)探測(cè)器,在月球南極附近著陸對(duì)月表進(jìn)行探測(cè),并計(jì)劃持續(xù)發(fā)射至“月球”31號(hào)探測(cè)器,最終目標(biāo)是在2030年建立月球基地,但目前該計(jì)劃尚未披露探測(cè)機(jī)器人的相關(guān)詳細(xì)內(nèi)容。

美國(guó)2004年提出了重返月球計(jì)劃,宣布要向月球發(fā)射一系列無(wú)人探測(cè)器,并在2015年之前建立月球基地,開(kāi)發(fā)和利用月球資源、能源和特殊環(huán)境等。2017年美國(guó)發(fā)布《太空政策1號(hào)令》(Space Policy Directive 1)調(diào)整重返月球計(jì)劃,提出啟動(dòng)近月“門(mén)戶”空間站(Gateway)和“阿耳忒彌斯”計(jì)劃(Artemis Program),并為支持“阿耳忒彌斯”計(jì)劃提出了“商業(yè)月球有效載荷服務(wù)”(CLPS)計(jì)劃,該計(jì)劃將于2024年發(fā)射VIPER(Volatiles investigating polar expl-oration rover)月球車,如圖2所示,目的是前往月球南極近距離勘察水冰位置及濃度,為后續(xù)登陸及采樣返回提供支持[25-27]。

圖2 VIPERFig.2 VIPER

2022年12月11日,日本ispace公司Hakuto-R月球探測(cè)器發(fā)射,該探測(cè)器預(yù)計(jì)飛行3～5個(gè)月后著陸阿特拉斯隕石坑,并有望成為日本首個(gè)著陸月球的探測(cè)器。Hakuto-R上搭載了阿聯(lián)酋首臺(tái)月球車“拉希德”號(hào)(Rashid)和JAXA的SORA-Q可變形月球機(jī)器人?！袄５隆碧?hào)質(zhì)量10 kg,長(zhǎng)535 mm,寬538.5 mm,攜帶有高分辨率相機(jī)和熱成像儀等設(shè)備,如圖3(a)所示。SORA-Q可變形月球機(jī)器人質(zhì)量250 g,寬約80 mm,帶有兩臺(tái)相機(jī),初始構(gòu)型為球型,可沿連接軸分離為兩個(gè)半球作為車輪在月面移動(dòng)并拍攝圖像,如圖3(b)所示。

圖3 “拉希德”號(hào)月球車和SORA-Q機(jī)器人Fig.3 The rover Rashid and the robot SORA-Q

中國(guó)嫦娥三號(hào)探測(cè)器搭載“玉兔”號(hào)月球車于2013年12月2日發(fā)射,開(kāi)展了月面巡視勘察,如圖4所示。嫦娥四號(hào)探測(cè)器搭載“玉兔”2號(hào)月球車于2018年12月8日發(fā)射,在月球背面開(kāi)展了巡視勘察。嫦娥五號(hào)探測(cè)器攜帶表取采樣機(jī)械臂于2020年11月24日發(fā)射,完成地外天體采樣返回,12月17日嫦娥五號(hào)返回器攜帶月球樣品著陸地球。

圖4 “玉兔”號(hào)月球車Fig.4 The rover Yutu

2.2 火星探測(cè)機(jī)器人

近代的火星探索始于美國(guó)和蘇聯(lián)之間在20世紀(jì)60年代的太空競(jìng)賽。

1996年12月,NASA“探路者”探測(cè)器發(fā)射,攜帶了一臺(tái)名為“索杰納”的火星車,如圖5所示?！八鹘芗{”號(hào)火星車于1997年7月4日成功登陸火星,質(zhì)量只有11.5 kg,其在火星表面一定范圍對(duì)火星的巖石和土壤進(jìn)行了科學(xué)探測(cè),并于同年的9月27日停止工作,總行駛里程約100 m。

圖5 “索杰納”號(hào)火星車Fig.5 The rover Sojourner

2003年6月和7月,NASA先后發(fā)射MER(Mars exploration rover)“勇氣”號(hào)(MER-A Spirit)和“機(jī)遇”號(hào)(MER-B Opportunity)火星車,如圖6所示?！坝職狻碧?hào)于2004年1月4日著陸火星,“機(jī)遇”號(hào)于2004年1月25日著陸火星。2009年“勇氣”號(hào)被困在沙土中后,于2010年3月22號(hào)失去聯(lián)系,自此地面再未收到任何通信; 2011年5月25日,NASA宣布“勇氣”號(hào)任務(wù)正式結(jié)束,總行駛里程7.73 km。2018年6月10日“機(jī)遇”號(hào)遭遇沙塵暴,在其與地球通信后隨即轉(zhuǎn)入休眠模式,自此地球再未收到其來(lái)自火星的回應(yīng); 2019年2月14日,NASA在最后一次嘗試喚醒無(wú)果后,宣布“機(jī)遇”號(hào)任務(wù)完成,“機(jī)遇”號(hào)以45.16 km的總行駛里程打破了地外天體移動(dòng)紀(jì)錄[28-29]。

圖6 “勇氣”號(hào)/“機(jī)遇”號(hào)火星車Fig.6 The rover Spirit/Opportunity

2007年8月4日,NASA發(fā)射“鳳凰”號(hào)(Phoe-nix)火星著陸探測(cè)器,于2008年5月25日在火星北極成功著陸?！傍P凰”號(hào)計(jì)劃針對(duì)火星凍水層實(shí)施為期90天的探測(cè)任務(wù),用以探尋在火星干旱的表面下水存在的痕跡?！傍P凰”號(hào)搭載了用以挖取火星表面及表面下層土壤樣品的機(jī)械臂。該機(jī)械臂長(zhǎng)2.35 m,有4個(gè)自由度,末端裝有鋸齒形刀片和波紋狀尖錐,能在堅(jiān)硬的極區(qū)凍土表面挖掘。機(jī)械臂還可為裝在臂上的相機(jī)調(diào)整指向,引導(dǎo)測(cè)量傳導(dǎo)性的探測(cè)器插入土壤。2008年11月2日,“鳳凰”號(hào)發(fā)射的最后一個(gè)信號(hào)被地球接收到,至此“鳳凰”號(hào)任務(wù)正式結(jié)束[30-31]。

2011年11月26日,NASA發(fā)射火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室(MSL)任務(wù)“好奇”號(hào)(Curiosity)火星車,于2012年7月6日成功著陸火星,如圖7所示?！昂闷妗碧?hào)是美國(guó)第四臺(tái)著陸火星的火星車,同時(shí)也是世界上第一臺(tái)采用核動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的火星車,其主要任務(wù)是探索火星蓋爾撞擊坑,探尋火星上的生命元素?！昂闷妗碧?hào)的機(jī)械臂備有鉆頭,可鉆入巖石內(nèi)部采集樣本,并在機(jī)身內(nèi)化驗(yàn)后將分析結(jié)果傳回地球。截至2023年1月,“好奇”號(hào)仍在火星正常工作,行駛里程29.45 km[32-35]。

圖7 “好奇”號(hào)火星車Fig.7 The rover Curiosity

2018年5月5日,NASA“洞察”號(hào)(InSight)火星著陸探測(cè)器發(fā)射,于2018年11月26日著陸火星?！岸床臁碧?hào)搭載了用于部署地震儀和熱流儀的儀器部署機(jī)械臂。該機(jī)械臂長(zhǎng)1.8 m,有4個(gè)自由度,末端為五指機(jī)械手,用于將地震儀和熱流儀放置在火星表面。在著陸火星后機(jī)械臂成功安裝了地震儀和熱流儀,同時(shí)使用鉆具在火星表面鉆出了迄今為止最深的孔洞,并對(duì)火星內(nèi)部的熱狀態(tài)進(jìn)行了考察?！岸床臁碧?hào)攜帶的鉆具是名為“鼴鼠”的自錘式探測(cè)器,但因其設(shè)計(jì)缺陷并未能像地面預(yù)期那樣實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掘進(jìn)。2022年12月21日,NASA宣布探測(cè)器電池電力耗盡,“洞察”號(hào)任務(wù)結(jié)束[36]。

2020年7月,NASA“火星-2020”任務(wù)攜帶“毅力”號(hào)(Perseverance)火星車發(fā)射,并于2021年2月抵達(dá)火星開(kāi)啟巡視探測(cè)之旅,如圖8(a)所示?！耙懔Α碧?hào)質(zhì)量1 043 kg,攜帶有一架“機(jī)智”號(hào)火星無(wú)人機(jī),如圖8(b)所示?！耙懔Α碧?hào)搭載的采樣機(jī)械臂末端由9個(gè)鉆頭組成的鉆具裝置和光譜儀等組成,它們用于收集、分析火星巖石樣本,但“毅力”號(hào)并不具備樣品返回功能,這些樣品被封存后投放在火星表面,等待后續(xù)火星探測(cè)器將其帶回[37-38]。

圖8 “毅力”號(hào)火星車和“機(jī)智”號(hào)直升機(jī)Fig.8 The rover Perseverance and the helicopter Ingenuity

中國(guó)自2011年起開(kāi)啟火星探測(cè)方案論證和關(guān)鍵技術(shù)研究,2016年正式立項(xiàng),通過(guò)一次任務(wù)實(shí)現(xiàn)對(duì)火星的環(huán)繞、著陸和巡視探測(cè)。2020年7月23日天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器搭載“祝融”號(hào)火星車發(fā)射,如圖9所示。2021年2月10日天問(wèn)一號(hào)探測(cè)器進(jìn)入環(huán)火軌道。5月15日,著陸器成功著陸火星。5月22日,“祝融”號(hào)火星車駛抵火星表面,在火星表面開(kāi)展了區(qū)域巡視探測(cè),實(shí)施了對(duì)碎石、沙丘、淺坑等多地形探測(cè)任務(wù),傳回了大量科學(xué)數(shù)據(jù)。

圖9 “祝融”號(hào)火星車Fig.9 The rover Zhurong

2.3 小行星探測(cè)機(jī)器人

近年來(lái),美國(guó)和日本先后開(kāi)展了多次針對(duì)小行星的探測(cè)任務(wù),探測(cè)形式也由飛越探測(cè)發(fā)展為就位探測(cè)、采樣返回等多種形式。其中,美國(guó)開(kāi)展了形式多樣的小行星探測(cè)任務(wù),但多以繞飛探測(cè)為主;日本則成功實(shí)施了小行星采樣返回任務(wù),取得了小行星探測(cè)的領(lǐng)先地位。

2016年9月8日美國(guó)發(fā)射OSIRIS-REx(Origins spectral interpretation resource identification security regolith explorer)探測(cè)器。該探測(cè)器是美國(guó)發(fā)射的首個(gè)小行星采樣返回探測(cè)器。2018年12月3日OSIRIS-REx抵達(dá)近地小行星貝努(Bennu),12月31日進(jìn)入環(huán)貝努軌道,繞飛高度距貝努約1.6～2.1 km。繞飛期間OSIRIS-REx通過(guò)相機(jī)拼接了貝努的全表面影像圖,并通過(guò)可見(jiàn)光與近紅外光譜儀發(fā)現(xiàn)了貝努表面廣泛分布著水合礦物和含碳物質(zhì)。2020年10月20日,OSIRIS-REx成功到達(dá)貝努表面夜鶯(Nightingale)采樣區(qū),使用其攜帶的TAGSAM機(jī)械臂(Touch-and-go sample arm mechanism)完成降落采樣,獲取了小行星表面風(fēng)化層樣品。2020年10月27日OSIRIS-REx順利完成樣品封裝工作并返航,其樣品返回艙計(jì)劃于2023年9月返回地球[39]。

2003年5月9日,日本的“隼鳥(niǎo)”號(hào)(Hayabusa)探測(cè)器發(fā)射,其攜帶了一臺(tái)微型跳躍機(jī)器人MINERVA-I,用以實(shí)施在小行星糸川(Itokawa)表面的著陸和移動(dòng)探測(cè)任務(wù)。2005年“隼鳥(niǎo)”號(hào)飛抵目標(biāo)星,但是MINERVA-I在小行星表面投放過(guò)程中失去聯(lián)系。2007年“隼鳥(niǎo)”號(hào)在確認(rèn)樣品采集成功后于4月25日返航。2010年6月14日樣品艙返回地球。

2014年12月3日,日本發(fā)射了“隼鳥(niǎo)”2號(hào)(Hayabusa 2)探測(cè)器,并攜帶了三臺(tái)微型跳躍機(jī)器人MINERVA-II1 Rover-1A、MINERVA-II1 Rover-1B、MASCOT飛往編號(hào)1999 JU3的小行星龍宮(Ryugu)。2018年6月與該小行星交會(huì)著陸,期間,“隼鳥(niǎo)”2號(hào)投放了微型跳躍機(jī)器人等科學(xué)設(shè)備對(duì)小行星進(jìn)行近距離觀測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)物質(zhì)分析并成功采集了小行星表面的沙礫、星壤等。其中,2018年9月21日“隼鳥(niǎo)”2號(hào)釋放MINERVA-II1 Rover-1A、MINERVA-II1 Rover-1B著陸龍宮,成功完成跳躍探測(cè),實(shí)現(xiàn)了對(duì)小行星表面的多點(diǎn)探測(cè),如圖10所示;2018年10月3日“隼鳥(niǎo)”2號(hào)釋放MASCOT著陸龍宮,同樣完成了跳躍和多點(diǎn)探測(cè)。2019年12月“隼鳥(niǎo)”2號(hào)從小行星出發(fā)返回地球。2020年12月樣品艙返回地球并成功回收。“隼鳥(niǎo)”2號(hào)在與樣品艙分離后繼續(xù)其太空之旅,預(yù)計(jì)在2031年抵達(dá)編號(hào)1998KY26的小行星進(jìn)行繞飛探測(cè)。

圖10 Rover-1A、Rover-1B及MASCOT機(jī)器人Fig.10 The Rover-1A, Rover-1B and MASCOT

3 未來(lái)需求

從以上國(guó)內(nèi)外各類深空探測(cè)任務(wù)及星球探測(cè)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀可以看出,星球探測(cè)機(jī)器人在深空探測(cè)任務(wù)中的作用愈發(fā)凸顯,并隨著任務(wù)復(fù)雜程度的提升而逐漸成為影響探測(cè)任務(wù)成敗的重要因素。

以中國(guó)后續(xù)深空探測(cè)任務(wù)為例,嫦娥六號(hào)計(jì)劃于2025年前后發(fā)射,執(zhí)行月球背面采樣返回任務(wù)。嫦娥七號(hào)計(jì)劃于2026年前后著陸于月球南極,攜帶輪式探測(cè)機(jī)器人和飛躍探測(cè)機(jī)器人開(kāi)展月球南極環(huán)境探測(cè)與資源勘查。嫦娥八號(hào)計(jì)劃于2028年前后發(fā)射,攜帶多功能著陸器和若干智能操作機(jī)器人并與嫦娥七號(hào)共同組成月球科研站基本型。天問(wèn)二號(hào)計(jì)劃于2025年前后發(fā)射,執(zhí)行對(duì)近地小行星的伴飛、附著、取樣返回及對(duì)主帶彗星的繞飛探測(cè)任務(wù)。天問(wèn)三號(hào)計(jì)劃于2030年前后發(fā)射,執(zhí)行火星樣品采樣返回任務(wù)。在上述及未來(lái)地外天體無(wú)人探測(cè)、無(wú)人月球科研站基本型建造與運(yùn)營(yíng)等任務(wù)中,星球探測(cè)機(jī)器人的任務(wù)需求將擴(kuò)展到不同地外天體表面的著陸、附著、巡視與數(shù)據(jù)收集、樣品采集與存儲(chǔ)、原位資源利用等活動(dòng),這對(duì)中國(guó)星球探測(cè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展提出了更高的要求。為滿足這一發(fā)展需求,星球探測(cè)機(jī)器人將呈現(xiàn)四個(gè)主要發(fā)展趨勢(shì),即移動(dòng)能力增強(qiáng)化、執(zhí)行機(jī)構(gòu)多樣化、感知決策智能化和協(xié)同工作集群化。

1)移動(dòng)能力增強(qiáng)化。在未來(lái)星球探測(cè)的任務(wù)場(chǎng)景中,星球探測(cè)機(jī)器人將作為地外天體探測(cè)的主要移動(dòng)平臺(tái)。目前的星球探測(cè)機(jī)器人僅能以較低的速度機(jī)動(dòng),移動(dòng)效率大大降低,在未來(lái)復(fù)雜星球環(huán)境下的應(yīng)用必將受到限制。隨著任務(wù)對(duì)科學(xué)載荷的搭載能力、高價(jià)值科學(xué)目標(biāo)的探測(cè)能力、復(fù)雜環(huán)境下的作業(yè)能力等需求的不斷提升,對(duì)星球探測(cè)機(jī)器人在平臺(tái)負(fù)載能力、復(fù)雜地形可達(dá)能力等方面提出了更高的要求。發(fā)展趨勢(shì)具體表現(xiàn)在負(fù)載能力增強(qiáng)化、移動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)復(fù)合化和可變化、移動(dòng)形式多樣化等方面。

2)執(zhí)行機(jī)構(gòu)多樣化。隨著星球探測(cè)機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)的不斷豐富,星球探測(cè)機(jī)器人需要搭載多樣化、多功能化的執(zhí)行機(jī)構(gòu)以滿足不同的任務(wù)和功能需求,如實(shí)現(xiàn)星球樣品采集、星球原位探測(cè)、物品運(yùn)輸與轉(zhuǎn)移、基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建與維修等多樣化功能。發(fā)展趨勢(shì)具體表現(xiàn)在輕量化高集成度關(guān)節(jié)、輕量化可變剛度車輪及腿足、多功能末端操作工具、多模式采樣裝置等方面。

3)感知決策智能化。針對(duì)未來(lái)地外天體科研站、深空探測(cè)場(chǎng)景下執(zhí)行復(fù)雜新型任務(wù)的需求,對(duì)星球探測(cè)機(jī)器人的自主感知能力和決策智能化程度提出了更高的要求。如在感知方面,需進(jìn)一步提升對(duì)星球表面科學(xué)目標(biāo)的自主識(shí)別與測(cè)量能力;在規(guī)劃與控制方面,需進(jìn)一步提升星球探測(cè)機(jī)器人的自主生存能力與協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制能力,提高探測(cè)效率。發(fā)展趨勢(shì)具體表現(xiàn)在空間智能感知、空間智能決策、規(guī)劃與控制等方面。

4)協(xié)同工作集群化。機(jī)器人集群化是指由多個(gè)聚集在一定空間內(nèi)的機(jī)器人,通過(guò)相互之間有機(jī)的交互、協(xié)調(diào)和控制,使機(jī)器人群體表現(xiàn)出來(lái)的復(fù)合行為。集群協(xié)同工作將是星球探測(cè)機(jī)器人執(zhí)行未來(lái)深空探測(cè)任務(wù)的主要形式,通過(guò)多機(jī)協(xié)同提高單一探測(cè)機(jī)器人有限的探測(cè)能力、分析能力、搬運(yùn)能力和操作能力,從而大幅提升探測(cè)效率。發(fā)展趨勢(shì)具體表現(xiàn)在探測(cè)機(jī)器人集群巡視、編隊(duì)勘察、協(xié)同搬運(yùn)、協(xié)同裝配等方面。在未來(lái)深空探測(cè)任務(wù)中,星球探測(cè)機(jī)器人集群化有著巨大的應(yīng)用潛力。

4 主要關(guān)鍵技術(shù)

可以預(yù)見(jiàn),未來(lái)深空探測(cè)任務(wù)數(shù)量將進(jìn)一步增長(zhǎng),隨著技術(shù)研究與工程實(shí)踐的深入,星球探測(cè)機(jī)器人需求增長(zhǎng)的同時(shí)也將面臨愈來(lái)愈多的技術(shù)挑戰(zhàn),其主要關(guān)鍵技術(shù)至少包括以下四個(gè)方面。

1)復(fù)雜環(huán)境強(qiáng)適應(yīng)技術(shù)。根據(jù)嫦娥七號(hào)和嫦娥八號(hào)任務(wù),中國(guó)后續(xù)月球探測(cè)任務(wù)將重點(diǎn)針對(duì)極區(qū)及永久陰影區(qū)水冰探測(cè)等科學(xué)目標(biāo)和月球資源開(kāi)發(fā)利用等工程目標(biāo)開(kāi)展。這要求月球探測(cè)機(jī)器人具備在月球極區(qū)及永久陰影坑重復(fù)著陸、連續(xù)行走和原位采樣分析等能力,為月球科研站建設(shè)奠定技術(shù)基礎(chǔ)?？紤]到探測(cè)任務(wù)中月球探測(cè)機(jī)器人將面臨極區(qū)低太陽(yáng)高度角、永久陰影坑內(nèi)極低溫環(huán)境(最低可達(dá)38 K)、極區(qū)月貌月壤特性未知、永久陰影坑內(nèi)光照條件惡劣等任務(wù)難點(diǎn),需要在極低溫環(huán)境驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)、魯棒行走控制、極弱光照條件下感知規(guī)劃等方面取得技術(shù)突破,從而支撐月球極區(qū)復(fù)雜環(huán)境下的巡視與采樣探測(cè)等任務(wù)。

2)多機(jī)器人協(xié)同技術(shù)。面向中國(guó)未來(lái)月球科研站建設(shè)和運(yùn)營(yíng)等長(zhǎng)期任務(wù),需要更多不同類型的星球探測(cè)機(jī)器人來(lái)滿足科研站建造、運(yùn)行、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、原位資源利用等多階段、多種類的科學(xué)與工程需求,如圖11所示。星球探測(cè)機(jī)器人將面臨月面導(dǎo)航信息有限、信息獲取手段匱乏、月面環(huán)境下月基裝備長(zhǎng)期工作失效機(jī)理復(fù)雜等諸多難題,迫切需要在機(jī)器人復(fù)雜環(huán)境多維度感知與融合、多機(jī)器人協(xié)同任務(wù)規(guī)劃與控制等方面取得技術(shù)突破,來(lái)支撐未來(lái)月球科研站建設(shè)和運(yùn)營(yíng)、原位資源利用等核心任務(wù)[40-41]。

圖11 中國(guó)未來(lái)月球科研站星球探測(cè)機(jī)器人概念圖[40]Fig.11 Conception of planetary exploration robots in China’s future lunar research station [40]

3)自主運(yùn)動(dòng)及智能控制技術(shù)。未來(lái)中國(guó)將實(shí)施火星樣品采樣返回和月球科研站建設(shè)等任務(wù),以進(jìn)一步提升對(duì)火星和月球的認(rèn)知深度,這對(duì)其探測(cè)機(jī)器人的自主運(yùn)動(dòng)及智能控制技術(shù)提出了新要求。比如,火星采樣返回任務(wù)可能需要火星探測(cè)機(jī)器人具備自主運(yùn)動(dòng)及智能控制能力,以支撐探測(cè)機(jī)器人火面巡視勘察、表面采樣封裝、樣品轉(zhuǎn)移等集成作業(yè)需求,如圖12所示。但是在火星取樣返回任務(wù)中,如果采用火星探測(cè)機(jī)器人,則其將面臨火地通信距離遠(yuǎn)、時(shí)延大、帶寬低以及能源、天氣環(huán)境等諸多嚴(yán)苛約束,同時(shí)還需面對(duì)火星地形地貌環(huán)境非結(jié)構(gòu)化且無(wú)法完全、精確預(yù)知等任務(wù)難點(diǎn),無(wú)法完成實(shí)時(shí)響應(yīng)控制,給導(dǎo)航定位造成極大困難。因此需在同步定位與建圖、智能自主行駛、自主健康與能量管理等方面取得技術(shù)突破,以支撐火面巡視勘察、資源探測(cè),勘探點(diǎn)樣品采集、封裝、轉(zhuǎn)移,儀器投放和科學(xué)實(shí)驗(yàn)等相關(guān)任務(wù)。

圖12 中國(guó)未來(lái)火星探測(cè)機(jī)器人概念圖Fig.12 Conception of China’s future Mars exploration robots

4)弱引力附著固定與采樣技術(shù)。未來(lái)小行星采樣探測(cè)將要求探測(cè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)在小行星表面的附著固定與采樣探測(cè)等工作,如圖13所示。但受限于小行星表面引力微弱,固定區(qū)域巖石的起伏狀態(tài)、微觀形貌、力學(xué)特性均無(wú)法準(zhǔn)確獲知,對(duì)小行星探測(cè)機(jī)器人的固定與采樣功能的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證將帶來(lái)較大挑戰(zhàn)。特別是針對(duì)硬度高、相糙度小的巖石表面尚無(wú)有效固定手段,加之地面試驗(yàn)中目標(biāo)模擬物的設(shè)計(jì)也缺乏可參照的標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn),同時(shí)還存在著因微重力模擬時(shí)長(zhǎng)有限導(dǎo)致的采樣、固定試驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行連續(xù)和全面驗(yàn)證等諸多挑戰(zhàn)。因此,需要在小行星探測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì),尤其是在其固定與釆樣裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、裝置與星球表面接觸力學(xué)分析與固定、采樣概率仿真、地面微重力模擬試驗(yàn)與評(píng)估等方面實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破,以支撐中國(guó)小行星采樣探測(cè)任務(wù)的順利實(shí)施。

圖13 天問(wèn)二號(hào)探測(cè)器概念圖Fig.13 Conception of the Tianwen 2

5 結(jié)束語(yǔ)

星球探測(cè)機(jī)器人是地外天體探測(cè)日趨關(guān)注和發(fā)展的核心裝備。本文面向中國(guó)未來(lái)月球科研站、火星采樣返回、小行星探測(cè)等深空探測(cè)任務(wù)對(duì)星球探測(cè)機(jī)器人的需求,圍繞星球探測(cè)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)開(kāi)展了綜述,概述了星球探測(cè)機(jī)器人的分類及其特點(diǎn),并以月球、火星及小行星探測(cè)為例,介紹了在軌的星球探測(cè)機(jī)器人的情況。在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)總結(jié)了中國(guó)未來(lái)星球探測(cè)機(jī)器人的技術(shù)需求與挑戰(zhàn)及需突破的主要關(guān)鍵技術(shù),為未來(lái)星球探測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研制工作提供參考。