探月足式飞跃机器人设计与控制*

高 峰，尹 科，孙 乔，肖 涛，杨建中 姜水清，陈先宝，孙 竞，刘仁强，齐臣坤

(1.上海交通大学 机械与动力工程学院·上海·200240；2.北京空间飞行器总体设计部·北京·100094)

0 引 言

外星探测器依赖于探测装备完成探测任务。国际上，外星探测器常由着陆器和巡视器组成[1-2]。着陆器不能行走，仅能携带巡视器在外星表面安全着陆；巡视器只能用于在外星表面行走探测[3]。外星探测器的质量直接影响着探测成本，其每千克的运载费用需数十万美元。如果能够把着陆器和巡视器融为一体，设计出可在月面反复着陆和行走的飞跃器，则可显著减小外星探测器的质量，大幅减少外星探测的成本。发明和开发将着陆器和巡视器融为一体的、可在月面反复着陆和行走的飞跃器，对月球和外星探测均具有明显的经济价值。由于人类还没有实现腿式机器人探测月球，腿式月球探测飞跃器的开发可体现我国航天领域自主创新能力。

腿式月球探测飞跃器的开发依赖于设计技术。设计有两种方法：一是已知装备构型，分析机构的功能和性能，然后完成结构和控制系统设计，这是引进消化产品实现逆向设计的主要手段；二是从无到有的创新方法，即已知功能和性能要求，综合出机构构型，再完成结构和控制系统的设计，是自主创新设计产品的正向设计方法，如图1所示。

设计是体现人类智慧和创造力的高级活动。设计的核心价值是发明出新产品。创新需要自信，正如明末清初著名画家石涛所言“古人之须眉，勿能生我之容貌”。自信是创新的重要基础。

设计既是科学，又是艺术。科学是“发现”客观世界的规律，机械工程就是在牛顿定律的基础上发展而来，艺术是研究人脑主观世界对大自然的感性反映，通过模仿表达情感。大自然创造每一条生命，不仅给他“肢体”，同时还给他“灵魂”。人类设计的机器人如果没有“灵魂”，那只是一位好的设计师；如果机器人具有“灵魂”(智能化)，那将富有极大的创造力，是机械设计永远追寻的方向。科学是认知自然方法，而技术是变革世界的工具。在当今的工程时代，改造世界的工具是设计技术，设计要体现“文化、品味和个性”三个要素。

大自然设计了两足、四足、六足、八足和蛇等。自然界给了万物肢体，更创造了灵魂。机器人的智能来自肢体与“灵魂”的结合。大自然创造地球的同时，还创造了一个月亮，月球是大自然留给人类通往宇宙的一扇门，如图2所示。

图2 月球是人类探索太空的唯一桥梁

目前，月球探测器由着陆器和巡视器组成，如图3和图4所示。功能单一的着陆器搭载巡视器的发射方式代价高昂。目前，着陆器均是采用被动缓冲设计，吸能结构只能实现一次性使用。美国和苏联在70年代就开始研究轮式巡视器[4-6]。我国探月着陆器和月球车已经两次成功到达月球，并于2019年1月3日首次到达月球背面，实现了人类首次在该区域内的科学探测。我国玉兔号月球车的研制水平，已进入国际先进行列[7-8]。虽然国内外已有许多月球和外星探测的着陆器[9-13]和巡视器[14-16]的研究成果，但是还没有针对既能着陆又能行走的着陆和巡视一体化的探测器的研究。如果外星探测器既能着陆又能行走，其便可利用自身携带的发动机，在月面反复着陆和行走探测，实现一次发射，多次着陆和行走探测。这将明显提高外星探测效率，大幅降低探测成本。

图3 外星探索着陆器

图4 外星探测巡视器

1 探月足式飞跃机器人机构设计

月球探测器实现多次着陆和行走探测飞跃机器人的设计挑战，是如何在月面着陆动能大、缓冲时间短、装机质量限制严苛等条件下，使反复着陆-行走月球飞跃器能在非结构化月面环境实现高频响主动缓冲着陆。完整的月面低空飞跃探测器包括飞船和着陆器系统两个部分。其中，飞船搭载了主推进器、空中姿态调整模块、通信模块及各种探测仪器。另一方面，着陆器系统为具有主动缓冲功能的着陆腿。该腿具有三个自由度，分别通过三个伺服驱动电机进行控制，可以自主伸长、缩短或折叠。

着陆-行走月球飞跃器机构的驱动希望将电机都安装在着陆腿髋关节上，将“驱动器、电机、编码器和扭矩传感器”复合，设计出“力-控”一体化伺服驱动单元。如图5所示，通过匹配该伺服驱动的精度与动力学参数，包括低惯量高精度大扭矩常数无框电机、高精度扭矩传感器、高功率密度集成驱动器等设计，突破高能量密度、高刚度一体化伺服驱动设计技术，使驱动单元体积小、质量小、驱动功率与自重比大，通过内置驱动器使得力矩输出波动小、响应快、运动控制平稳，开发出微型一体化驱动器。微型一体化驱动器实现了轻量化设计，其自重为1.3kg，可提供持续150Nm和瞬时200Nm的输出力矩驱动能力。

图5 探月足式飞跃机器人复合驱动单元

新型腿式探测器通过主动控制实现着陆缓冲，需要同时考虑运动和动力学特性，以设计飞跃机器人腿的机构。如图6所示，飞跃机器人的单腿机构采用了并联机构设计腿的主运动传动，采用3只“力-控”一体化伺服驱动单元，实现轻量化、高能量密度及高频响特性，通过力矩传感器实现扭矩阻抗控制和高速主动缓冲。图7所示为设计和开发的探月四足和六足飞跃机器人着陆-行走机构系统。如图8所示，月球着陆缓冲飞跃器腿机构的系统开发需要实现主动控制着陆缓冲，必须通过动力学仿真和地面实验相结合的方式来验证控制算法和着陆缓冲效果。

图6 探月飞跃机器人腿的机构设计

图7 探月四足和六足飞跃机器人机构设计

图8 LLBF：月球着陆缓冲飞跃器腿机构系统开发

2 探月足式飞跃机器人动态控制仿真

着陆和行走探测飞跃机器人是新型腿式探测器，通过主动控制实现着陆缓冲，需要用动力学仿真和地面实验相结合的方式来验证主动控制算法和着陆缓冲效果。在探测飞跃机器人的设计完成后，还需进行动力学仿真。动力学仿真是在样机制造之前，根据着陆器设计指标中的输入测试条件，对着陆器系统方案和控制算法进行仿真验证和优化，评估着陆器系统的性能是否满足要求。动力学仿真要建立仿真环境和确定着陆行走工况的顺序。动力学仿真可用于研究探测飞跃机器人设计的优劣，评估机器人系统的性能是否满足要求。在这里，将控制算法与动力学计算协同进行仿真。图9和图10所示分别为六足和四足探测飞跃机器人的着陆仿真。

图9 六足飞跃器着陆仿真

着陆工况是根据设计指标要求，设置不同的着陆仿真初始条件，包括负载、竖直下落速度、水平初始速度、水平速度与机身夹角方向、机身翻转角速度初值、翻转角速度与机身夹角等，对探测飞跃机器人着陆动作进行动力学仿真，来验证着陆性能和功能。表1列出了用于仿真的两种典型着陆初始条件，分别为垂直着陆和平抛着陆。工况1模拟机器人在着陆场上空调整姿态后，负载120kg，在2.1(m/s)的垂直下落初速度条件下，开始垂直下落着陆。仿真结果如图10所示。由图10可以看到，着陆器从高处下降触地后，四条腿主动收缩，以吸收着陆冲击能量。同时，身体姿态稳定功能开始工作，使着陆器身体保持水平，不发生倾覆。关节扭矩仿真结果显示，最大关节扭矩为108Nm，与谐波减速器峰值扭矩200Nm相比，安全扭矩裕量为46.0%。整个着陆稳定过程的持续时间约为1s，总体满足设计要求。

表1 着陆初始条件

图10 着陆缓冲过程仿真

3 探月足式飞跃机器人着陆控制地面实验

着陆和行走探测飞跃机器人地面实验是验证主动控制算法和着陆缓冲效果的必要手段。飞跃机器人腿的各个驱动关节都具有力矩传感器，可用于实时辨识各腿足端月面接触力，这是飞跃机器人实现主动柔顺着陆的前提。图11所示为飞跃机器人地面实验系统。利用该地面实验系统进行四足和六足飞跃机器人着陆实验，如图12所示。实验条件为探测器在2米高度，水平初速度为0(m/s)和0.6(m/s)。在斜面、台阶等不同地形条件下分别进行动力学实验，记录关节力矩、机器人的身体位置，考核系统的动力学参数和性能。

图11 飞跃机器人地面实验系统

图12 探月四足和六足飞跃机器人着陆实验

在样机实验时，通过配重实现月球G/6的重力环境地面模拟，四足、六足着陆器位置、速度和加速度可以通过激光跟踪仪实现实时记录。电机的力矩可以检测地面的接触刚度。主动柔顺控制算法的实际缓冲效果可以通过实验进行验证。在四足着陆实验中，降落速度为2.1(m/s)，系统总重为200kg。腿式机器人如果能够登上月球，将是中国在航天领域的重大突破。图13所示为探月四足飞跃机器人的着陆实验，实验条件为负载180kg、下落速度为2.1(m/s)，水平速度为0(m/s)，翻转角速度为1(°/s)。

图13 探月四足飞跃机器人着陆实验

六足飞跃探测器与四足飞跃探测器相比，既具有更高的着陆可靠性和行走的快速性，又具备明显的安全稳定性和容错性。六足探测器可实现腿折叠和展开，这有利于在发射时减少占用空间，可实现五足、四足和三足容错着陆，安全稳定性和容错性好。六足机器人在月球基地地面实验中心进行行走实验，完成细沙地形下基于视觉自主避障和20度沙坡的上下行走。

4 结 论

本研究依托航天五院总体部与上海交通大学合作项目“反复着陆器设计”，针对月面低空飞跃探测器系统展开了针对四足和六足飞跃探测器的初步研究；采用并联式主运动腿式机构，使其具有在多种复杂地形上主动缓冲着陆和行走的适应能力；针对着陆器的驱动系统，设计了一种新型高功率密度力控驱动单元；针对腿部结构件，进行了结构优化设计，实现了轻量化；针对着陆和行走过程的控制问题，提出了基于主被动复合缓冲原理的设计思路和控制方法，实现了飞跃器着陆过程的缓冲、身体稳定及在着陆后的稳定行走，具有多次缓冲、自主移动、可收拢展开、着陆姿态调整、复杂地形适应等多种功能。

腿式探测器距离走向月球还有很多问题需要探索，如月面跳跃、容错着陆行走算法、鲁棒及自主导航控制等。美国、俄罗斯已提出重返月球计划，并将在月球上建立月球站，新型探测器的设计开发将体现我国在空间技术前沿领域的自主创新能力和国际竞争力。