月面服务机器人研究进展及发展设想

韩亮亮，陈 萌，张崇峰，张玉花

（1.上海宇航系统工程研究所，上海201108；2.上海航天技术研究院，上海201109）

1 引言

在我国载人航天工程和月球探测工程之后，我国基本具备了实施以月球为代表的载人深空探测的技术条件。有人参与的深空探测任务发展原则遵循“以有人参与为目的，先期开展多项无人深空探测任务，将无人与有人深空探测任务融合发展，逐步突破核心关键技术，带动科学技术的跨越式发展”［1］。

作为一种典型的空间机器人，月面服务机器人将在月面作业、月面资源开发利用、科学实验及建造维修等任务中发挥重要作用。在已立项的月球探测工程与未来载人登月工程之间的空档期，开展持续、高效的月面机器人探测，可完成更广泛区域的月球科学探测任务，并为载人登月提供科学与工程数据和先期基础设施。另一方面，在未来的载人登月任务中，月面服务机器人可作为航天员的助手，以人机交互、协作、耦合的方式与航天员组成有机的月面活动系统，结合人的主观性、智能性及机器人极端环境长时间作业的优点完成更复杂的月面作业。

本文综述国内外月面机器人的研究进展，分析月面活动对机器人的需求，并提出月面服务机器人的发展方向和设想。

2 月面机器人研究进展

早期的月面机器人通常被简称为月球车，如美国、前苏联的月球车［2］及我国的嫦娥三号巡视器“玉兔” 号［3⁃4］，以及火星巡视器如“索杰娜”、“勇气”号、“机遇”号及“好奇”等号［5］，其典型特征一般为六轮或八轮的轮式行驶机构及摇臂悬架系统，在直观上表征为“车”的特征。随着机器人技术的发展和进步，各种新型的星表机器人形式也可考虑用于月球的探测。

1）NASA的Robonaut及Centaur机器人

早在上世纪90年代，美国就开展了机器人航天员Robonaut的研制。2011年NASA与通用公司GM联合研制的第二代机器人航天员（Robo⁃naut2）进入国际空间站［6⁃7］，如图 1（a）所示。 机器人航天员Robonaut具有如下特点：在形体上具有头部、颈部、躯干、双臂、多指灵巧手等人类的特征，R2全身共42个自由度，其中包括3自由度颈部、2个7自由度的手臂、2个12自由度的五指灵巧手以及1自由度腰部，因此可达到类似人的工作能力；五指灵巧手的比例与航天员相当，可直接使用航天员的工具，5个手指共12个自由度，运动灵活，可辅助航天员完成部分空间操作任务；集成了视觉相机、红外相机、六维腕力传感器、接触力传感器、角度及位移传感器等约多达350个传感器［6⁃7］。

NASA为Robonaut增加了移动系统，组成了一种半人马式结构（Centaur），如图1（b）所示，可适应月球、火星的巡视探测需要［8⁃9］；其移动系统为轮腿式构型，在传统轮式移动机构的基础上增加了腿式机构，可适应具有挑战性的地形，并可在斜坡或陡峭的地形上保持上半身操作部分的姿态；每个轮子独立驱动，可原地转向及多方向平动；同时可通过轮腿机构的变构型为载荷作业或机器人操作提供稳定的操作平台。此外，NASA也提出了为Robonaut增加二条腿式形成一个完整的人形机器人开展月面探测的设想，如图1（c）所示。在控制方面，Centaur继承了Robonaut的可穿戴人机交互界面FITT；此外配置了类似于脚踏板的交互设备驾驶控制机器人的方向和加速；通过上述交互设备的配置可使一个遥操作人员协调控制机器人的上半身和移动基座的协调运动。

图1 Robonaut的多种构型形式［7⁃9］Fig.1 Different configurations of Robonaut［7⁃9］

Centaur机器人的主要特点为轮腿式的移动机构与仿人操作机构的融合配置，一方面可满足复杂地形的通过性要求，另一方面具有类人的工作和可达空间，可实现精细、灵活的服务操作。

2）NASA全地形六足地外探测器（ATH⁃LETE）

NASA考虑在未来月球任务中使用可移动的月球基地，全地形六足地外探测器 ATHLETE（All⁃Terrain Hex⁃Limbed， Extra⁃Terrestrial Explor⁃er）在其中发挥着重要作用，ATHLETE由喷气推进实验室（JPL）研发，其被设想在月面运送大质量的载人月球居留舱，共研制了两代样机SDM和T12［10⁃12］，如图 2 所示。 ATHLETE SDM 的六边形底盘跨度2.75 m，每边配置6自由度、最大展开长度2.08 m的机械腿，机械腿的末端为直径0.71 m的车轮，车轮的一侧配置为可快速连接不同作业工具的接口，因此每个机械腿也可作为机械臂进行通用化的操作作业。第二代的ATH⁃LETE T12由两个三足的 Tri⁃ATHLETE T1和 T2对接组合而成，T12的腿约4 m长，每个腿为7自由度。

图2 全地形六足地外探测器（ATHLETE）［10］Fig.2 Prototype of ATHLETE［10］

ATHLETE具有移动作业一体化的特点，移动机构和操作机构的复用可减少对探测器质量、功耗等资源的需求，对于实现机器人的轻量化有重要的意义。

3）喷气推进实验室（JPL）的样品返回探测器（SSR）

NASA喷气推进实验室的样品返回探测器（Sample Return Rover，SRR）［13⁃15］如图 3 所示，质量约7 kg，最高运动速度为30～50 cm／s，具有四个可独立驱动和转向的驱动轮系及主动控制的肩关节车轮通过平行四边形连杆机构连接车体的悬挂系统。通过肩关节的主动控制可以适应地形变化，也可主动调节车体高度，从而增加车底的净空避免接触障碍或降低车体高度以增强稳定性；也可通过肩关节主动调节改变机器人质心位置以适应崎岖不平的险恶地形环境，从而提高机器人系统的稳定性和适应性［4］。SRR的前端配置了质量5 kg、负载3 kg、位置精度3 mm的4自由度机械臂。机械臂末端配置了工具塔，可使机械臂使用多种科学载荷设备，同时工具塔也配备了连接机构，可连接存放于机器人本体的多种末端采样工具。

图3 喷气推进实验室的样品返回探测器［14］Fig.3 Prototype of SRR of JPL［14］

SSR的典型特征为可主动变结构的悬架系统，此类配置可有效提高机器人对地形的主动适应性、发射状态的收拢比、移动作业的稳定性。

4）欧空局（ESA）的可重构月面探测车

ESA的月面探测车，利用6个液压驱动轮的构型变化，可自重构为三种不同形态：普通轮式滚动形态，多足爬行形态，和机械臂工作形态。以适应不同的月面地形和探测采集需求，如图4所示。实现了一机多用，该机器人具有高度的自主性和环境适应性。

图4 欧空局的可重构月面探测车Fig.4 Reconfigurable lunar rover of ESA

5）德国模块化可重构多机器人月面探测系统

德宇航提出了模块化可重构多机器人月面探测系统（Reconfigurable Integrated Multi⁃Robot Ex⁃ploration System， RIMRES）的概念［16⁃17］，如图 5 所示。在此计划下，德国人工智能研究中心DFKI研发了新型探月机器人，包括四轮机器人Sherpa和六足机器人CREX。两个机器人可完全独立地工作，也可通过机电接口重构成一个系统开展组合工作。

图5 德国的可重构综合勘探多机器人系统［16⁃17］Fig.5 RIMRESof DFKI［16⁃17］

Sherpa机器人系统采用混合轮腿结构，自重约200 kg，可负载质量约60 kg，腿部摇摆机构具有4个自由度，平行四边形机构也可提供一个被动自由度，主动悬架系统不仅可实现在适度结构化地形的相对节能运动，还可通过悬架机构的主动调整实现结构的重构变化，从而增加机器人在崎岖路面的通过性。Sherpa的机械臂展开长度约1.7 m，用于载荷操作、巡视检查、质心平衡，也可将机械臂作为一个辅助的腿部使用。

CREX是蜘蛛式六足爬行机器人，利用多足和多冗余度实现在月球陨石坑恶劣等未知环境的探测工作。CREX的由DFKI开发的六足机器人SpaceClimber［18］发展而来，其质量为 25 kg，单腿 4个主动自由度，整机共26个自由度（头部、躯干各一个主动自由度），头部集成了视觉相机及激光雷达。

6）德国仿黑猩猩机器人（iStruct Demonstrator）

德国人工智能研究中心（DFKI）在 iStruct Demonstrator计划中以黑猩猩为雏形设计了一种月球探测机器人。仿黑猩猩的设计能充分借鉴猩猩攀爬作业的四肢稳定性及在各种地形移动的优势。仿猩猩机器人最典型的特性是其可根据不同地形选择不同的行走模式，平坦地形可以双足方式行走，复杂地形可切换为四足爬行模式，如图6所示。在双足直立模式，两个前臂也可以开展样品采集等作业任务［19⁃21］。

图6 机器猩猩的多种运动方式［19⁃20］Fig.6 Multi movement modes of ape⁃like robot［19⁃20］

猩猩并不是唯一被模仿飞上太空的动物，DFKI同时还在制定仿螳螂［22］和蝎子机器人的登月计划，如图7所示。该类机器人的共同特点就是机器人既可靠四肢站稳、行走，又能用前面两条腿来操纵物体。

7）美国宾夕法尼亚大学六足弹跳机器人

图7 德国仿螳螂月面机器人［22］Fig.7 MANTIS of DFKI［22］

可在多障碍环境下灵活移动的弹跳机器人是月面机器人可考虑的形式之一。美国宾夕法尼亚大学研制了一种六足弹跳机器人 X⁃RHex［23⁃24］。其最新版本 X⁃RHex Lite重 6.7 kg，站立高度约20 cm，长为51 cm，体积小、重量轻，可由单人携带；其具有六条腿，每条腿为半圆形且具有一定的弹性，外层还具有防滑的凹凸橡胶，如图8所示。该机器人具备双足跳跃、四足跳跃、六足跳跃等运动模式，可以连续跳跃，通过不同的跳跃模式可实现在不同地形的移动，如跳跃凹陷、跨越障碍等。

图8 六足弹跳机器人 X⁃RHex Lite 弹跳实验［23⁃24］Fig.8 The jumping test of X⁃RHex Lite［23⁃24］

8）美国变拓扑翻滚探测机器人

NASA以火星探测为背景，从2008年开始，开展了变拓扑结构的多面体翻滚机器人TET的研究。变拓扑翻滚机器人是一种变几何桁架机构，其基本原理为通过各杆件的伸缩实现机器人重心的偏移，当重心超越其稳定区域后，机器人失稳从而发生翻滚运动；机器人也可通过杆件的协调伸缩实现对障碍物的翻越或在溶洞、狭缝等地形的爬行。目前已研制了三代原理样机，实现了1 重、4 重、12 重四面形样机的研制和试验［25⁃27］，如图9所示。

图9 12重四面体翻滚机器人［27］Fig.9 Prototype of 12⁃TET［27］

3 月面活动作业对机器人的需求

结合无人月球探测及有人月球探测的任务需求，为了提升月面智能操作能力、降低航天员月面作业风险、减轻航天员作业负担，月面机器人的主要功能需求如下：

1）航天员月面辅助：辅助航天员进行一定范围内高效率的行走、移动，辅助或协同航天员完成复杂月面作业任务；

2）高效移动能力：具备对月海、高地、山脉、撞击坑、溶洞等典型月面形貌的移动通过能力；

3）仪器投放安装能力：自主或辅助航天员完成载荷设备的投放或安装，如月面激光反射器、无线电信标和热流探针等安装、调试；

4）潜在水冰资源原位探测：自主或辅助航天员开展水冰资源原位探测，如利用激光加热⁃光谱仪分析月球极区的水冰资源；

5）月壤水冰混合物钻取⁃封装⁃储存：实现轻量化、一体化的低污染水冰钻取⁃封装及储存；

6）月岩、陨石样本识别与采集：通过先进的视觉识别及精细操控技术实现高价值月面样本的获取；

7）月面资源的探测和开采：对月球资源进行开采试验、原位资源利用与存储技术试验，为建立长期运行的无人月球科研站、月球基地的建设进行前期准备；

8）模块化搭载功能：开展通用化、标准化接口设计，实现对生物学试验载荷、原位制氧载荷、近月磁场、电场探测仪、微型机器人等多种不同类型载荷的搭载；

9）月面人机联合作业：机器人与航天员联合作业，结合航天员、机器人间的互补特性，以最优化模式协同作用获取最佳探测作业效果［28］。

根据月面机器人的功能需求，经过梳理形成月球机器人的配置需求，如图10所示。其中巡视机器人主要用于月面常规及极端地形条件下月面环境的巡视勘察，此外还具备航天员搭载和运送的能力，辅助航天员开展月面的高效移动。服务机器人主要用于各项科学探测和工程建设工作，其功能根据任务要求进行配置，如月面组装维修、月面基础设施建设等，主要特点是负载能力强、操作灵活精细等。

根据上述功能和机器人配置需求，对于月面机器人的主要配置思路，可考虑配置多种不同类型、功能相对独立的机器人，组成一个机器人群，多机器人可相互协作；也可考虑根据探测作业地形或典型任务，配置有限规格、多功能集成的机器人。

4 月面服务机器人的发展方向及设想

1）由传统的轮式星球车向轮腿式机器人发展

目前成功在地外星表运行的机器人均采用轮式移动机构，轮式移动机构具有运动速度快、传动效率高、结构简单、可靠性高等特点；但轮式移动系统对崎岖地面适应能力稍差，越野和越障能力稍差。

腿式移动机构一般采用仿生学原理，主要模拟哺乳动物、昆虫等生物的行动方式，可以实现很好的越障和避障能力，有的可以实现原地转向，而且不会打滑；但腿式机器人的缺点也很明显：零部件多，系统复杂，驱动、控制系统的设计难度增加，机械可靠性下降，承载能力有限，行走速度较慢，功耗比较大。

作为轮式机构和腿式机构的折中方案，轮腿式移动方案融合了腿式的地形适应能力和轮式的高速高效性能，同时具有优越的越障、避障以及地形适应等能力，对复杂星球表面环境适应性强。虽然轮腿式移动机构也具有组成复杂、控制难度大、可靠性降低等缺点，但由于其优越的移动性能，一直是研究人员关注的热点。随着科学技术的发展，轮腿式移动方案符合未来深空巡视探测质量低、效率高、极限地形通过性好的要求。

2）由传统轮式星球车向多形态仿生机器人发展

图10 月面机器人功能及配置需求Fig.10 The function and configuration requirements for lunar robot

对于月面极端地形的探测，除了轮式、腿式及轮腿式机器人，国内外研究学者基于仿生学的启示提出了多种形态的机器人，如仿人、仿猩猩、仿昆虫、蛇形、球形、跳跃式、蠕动式机器人等。此类机器人突破了传统的“车”的概念，特别适应复杂极端的地形环境，能够穿越山洞、攀爬岩石、钻入月表，高效地开展恶劣地形勘察、精细操作、钻探取样等探测工作，使任务更加灵活、丰富。

仿人或仿猩猩机器人具有行走作业一体化的特点，在构型与外形上与人相似，通过配备灵巧手和操作工具可具备类人的操作能力；移动模式不局限于双足步行，可类拟于猩猩、猿猴等灵长类动物四足爬行，可针对不同的地形改变其行走模式。且仿人具有类人的工作能力和可达空间，可为后续航天员登月开展关键技术验证，如航天员月面行走、操作等行为模拟等。

小型四足或六足的机器人可考虑用于含有岩石、泥土、沙子甚至峭壁和陡坡等障碍物的崎岖地形的巡视探测。蛇形机器人可考虑用于月面狭缝、裂缝、溶洞、月坑等特殊地形的巡视探测。此外，一些基于滚动移动思想的球形或多面体机器人也可考虑用于一种针对性环境的巡视探测。

3）由固定构形向可重构变拓扑机器人发展

月面着陆器限于有限的载荷搭载能力，不能将大量构型固定的机器人运送到月面；针对在非结构化环境作业的需求，为满足月面多属性任务的执行，也需要多形态多功能机器人。可重构机器人为解决此类问题提供了一种思路，可重构机器人可基于指定的任务快速重构成具有适应任务的拓扑构型，并附之以可重构的控制算法和规划策略。可重构变拓扑机器人在广义上可包涵机器人整体构型或局部构型的重构和变形。

对于整体构型可重构的月面机器人，可考虑多个模块化的小型机器人独立包装和着陆，可降低对发射包络的需求和上升段过载能力的要求。小型机器人独立模式工作时，可相对独立地开展特定分工的任务，也可相互通信协同工作。小型机器人组可根据任务需要，双机器人或多机器人自由组合，以适应不同环境和任务的需求。

对于局部构型可重构的月面机器人，通过自身局部部件的变形以实现对环境的适应或功能部件的复用。如车轮的功能复用，通过轮子的变形实现机器人车轮的轮式滚动、足式爬行移动和机械臂式操作等多种形态；如悬挂机构的变构型，利用铰链悬挂机构的改变，达到适应崎岖不平的险恶地形环境的目的，或者达到减小压紧收拢包络的目的。

4）由单一机器人探测向多机器人联合探测发展

月球机器人将从单机器人工作逐步向多机器人系统协调作业发展，多个机器人组成的群体机器人系统间协调协作，其能力远远大于单机器人能力的简单叠加，而且群体中单个机器人结构进一步简单、体积变小、任务专门化，可大大提高机器人工作的可靠性，增加作业的灵活性，从而提高探测效率，甚至完成单个机器人无法实现的技术任务。机器人团队协作可取长补短，协同作业实现“1＋1＞2”的效果。

对于多机器人的构成模式，可采用主／从或平级的模式。主／从模式一般指子母机器人的形式，主机器人将承担巡视作业的大部分任务，从机器人主要用于特定的任务和操作，主从模式一定程度将降低从机器人的实现难度和资源消耗。

对于多机器人的构成形态，可采用同构式或异构式的形态。同构式机器人团队由多种构型相似的机器人组成，便于多机器人重构和组合使用。异构式机器人团队由多种创新形态的机器人组成，是一种适合多环境、多任务的探测系统。

5）向与航天员高效联合作业的高安全、高可靠协作型机器人方向发展

在未来的载人月球探测活动中，航天员需要与机器人在同一现场工作，且航天员与机器人有交互、联合作业的需求，因此机器人与航天员的共融将是未来月面作业机器人的重要特征之一。

协作型月面机器人首先需保证航天员的安全，机器人应具备高本质安全性，即机器人的机构和本体需具备足够的柔性，在与航天员接触作业时不会对航天员带来安全隐患。协作型月面机器人对航天员行为的感知和理解技术需进一步提升，从而为与航天员的协同提供依据。协作型月面机器人也需配置多模态的人机交互手段，方便航天员自然、直观地对机器人进行交互控制。对航天员而言，月面机器人将不再是单纯的月面作业工具，而是与航天员并肩协同的助手。

5 结论

在无人月球探测及有人月球探测的任务中，具有复杂地形适应能力及灵巧操作能力的月面服务机器人有巨大的应用潜力。在目前相对成熟轮式月球车的基础上，发展具有仿生、轮腿式、可重构、多机协同、人机协作等特点的新概念月球服务机器人，一方面可有效提高机器人对极端月面环境和复杂操作任务的适应能力，另一方面可大力推动和牵引月面机器人的原始技术创新。目前新型月面服务机器人的研究多数在概念及原理样机阶段，为实现工程应用，还需解决多自由度机构协调控制、月面环境适应性、能源与通信、多机协调等关键技术。

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