航天员与类人机器人月面联合探测概念初步研究

李海阳，张 波，黄海兵

(国防科技大学航天科学与工程学院，湖南 长沙，410073)

1 引言

自上世纪50年代以来，月球探测一直是人类航天活动的重点领域［1-3］。1969年，美国航天员阿姆斯特朗乘“阿波罗”飞船首次登陆月球，实现了人类历史上的首次载人登月探测。然而，限于当时机器人技术水平，阿波罗计划仅采用航天员与月球车联合的方式进行探测，探测任务和范围都很有限。美国在总结阿波罗计划的经验教训时提出:能协助航天员进行精细操作等任务的机器人系统在载人登月任务中很有必要［4］。如今，机器人技术已经有了长足的进步，基于当前的发展速度，可以预见未来将具备航天员、机器人和月球车等多元素月面联合探测的条件。

载人登月任务月面停留时间有一定的限制，阿波罗为1-4天不等，在登月期间航天员出舱执行月面时间，此外还会面临辐射、极端温度、月尘等可能会对其生命安全产生威胁的情况，为了能够提高航天员在月面执行任务的效率，发送类人机器人至月面联合航天员完成月面任务会大大提高探测效率。在月面人机联合探测任务中，采用类人机器人与航天员搭配的模式原因在于，首先，类人机器人可以使用与航天员相同的探测工具，从而避免了为机器人准备额外工具的负担，其次，类人机器人相对于步履机器人在月面行走更具优势，再次，类人机器人具有类似人的外形，从形态和功能上均是人类实施登月和探测的最佳代理，而且能够让航天员在心理上产生被陪伴的感觉，最后，类人机器人的研究设计到多个学科，通过发送类人机器人到达月面执行任务，可以促进我国机器人相关产业的快速发展。国外对类人机器人技术已经开展了很多研究，以美国为代表，其研制的新一代机器人航天员R2(Robonaut 2)，如图1左所示，于2011年2月搭载发现号航天飞机到达国际空间站，成为人类历史上首位上天的人形机器人［5］;由波士顿动力公司研制的Petman是一种两足步行类人机器人，如图1右所示，其在无需外部支撑的情况下能自我保持平衡，像真人一样四处活动，完成各种动作，即使受到冲击也能保持直立，步行速度达到了 7.1 km/h［6］。

图1 类人机器人(R2，Petman)Fig.1 Humanoid robot(R2，Petman)

国内研制类人机器人技术成果比较突出的有北京理工大学、中国科学院自动化研究所、清华大学、哈尔滨工业大学和国防科技大学等［7-8］。其中国防科技大学研制成功的第五代类人机器人KDW-5，高约160 cm，重74 kg，具有30个自由度，实现了全景视觉和双目视觉对乒乓球的准确定位与预测，以及灵巧手臂的接球［7］。

在月球表面，引力加速度只有地球表面的1/6，航天员和类人机器人在月球表面进行探测需要面临月球的重力环境。为了能够在地面进行类人机器人的月面运动特性研究，需要提供重力模拟环境，现有的在地面重力环境的模拟手段主要包括利用重力加速度和利用平衡力抵消两种方式［9］，其中，利用重力加速度方式又包括落塔法和抛物飞行法，利用平衡力抵消又包括水浮法和吊丝配重法和气浮平台/气浮轴承法。落塔法和抛物线飞行方法时间过短、空间有限，气浮和水浮方法对类人机器人的研究也不适用。悬吊技术可以把类人机器人吊起来，通过拉力调节平衡掉5/6的重量，用以模拟月面重力环境，可以开展类人机器人的月面行走地面验证实验。

在人与机器人共同执行任务中，人与机器之间的联合技术是保障任务高效进行的关键技术。人机联合技术研究集中人与机器人在感知、决策以及执行方面的有机结合问题上，通过对人与机器人特点的分析，研究人与机器人在任务中的参与关系。文献［10-11］研究了人机联合技术在机器人遥操作控制领域中的应用，通过本地操作员与远端机器人之间的配合，克服时延影响，完成操作任务;文献［12］设计了一种无人机的触觉共享控制系统，利用机器计算的控制力对操作员指令进行辅助，实现无人机飞行过程中的碰撞规避;文献［13-14］研究了人机协作的车辆驾驶智能辅助控制系统;周前祥等采用实验方法研究了最后接近段交会对接飞行器人机联合的控制方法［15］。

本文对月面人机联合探测技术的概念进行了研究。首先设计了月面人机联合探测系统的结构，然后分析了可能的探测模式，并进行了探测任务规划，最后，对月面人机联合探测技术研究进行了总结和展望。

2 月面人机联合探测系统结构

月面人机联合探测系统按照其组成可分为月面活动执行子系统和月面活动支持子系统。系统组成关系如图2所示。

图2 月面人机联合探测系统组成Fig.2 Composition of lunar human － robot synergy system structure

2.1 月面活动执行子系统

月面活动执行子系统由人服系统、类人机器人、月球车和探测设备组成。各部分的主要功能定义如下:

1)人服系统。即人-登月服系统，是月面人机联合探测的核心，具备独立月面出舱、自行月面行走、月面采样、月球车驾驶，类人机器人控制等主要功能。

2)类人机器人。作为航天员月面探测的先遣者和配合者，具备在控制指令下完成独立出舱、月面行走、月面采样、月球车驾驶、能源补充等主要功能。

3)月球车。作为拓展航天员与类人机器人活动范围的月面交通工具，具备在操作控制下完成驶离登月舱、月面负载行驶、月面越障、自主能源补给等主要功能。

4)探测设备。执行月面探测任务所需的采样工具包、实验包、探测仪器和实验仪器等。

2.2 月面活动支持子系统

月面活动支持子系统的各组成部分按空间位置可分为月面部分、环月部分和地球部分。各部分的主要功能定义如下:

1)着陆器。具有为航天员与类人机器人提供活动和安装空间、提供出舱通道、提供信息中转等功能，具有舱内舱外摄像功能，为登月舱和月面活动提供视频监控。

2)能源站。为类人机器人进行充电，安装于月球车上，具备类人机器人能源移动补给功能。

3)轨道舱。在月面人机联合探测任务中，载人飞船具备飞船内航天员遥操作类人机器人行走和操作、类人机器人运动状态接收与显示、月面航天员与类人机器人信息中转等主要功能。

4)深空测控网、通信站、中继卫星。其主要功能是为航天员、类人机器人、月球车等月面人机联合探测系统的组成部分之间的提供通信导航保障。

5)地面控制中心。作为载人登月任务的地面控制中心与类人机器人的地面控制指令产生场所，地面控制中心主要功能包括对月面探测任务进行监视和决策，为类人机器人地面操作人员提供遥操作终端。

月面人机联合探测系统功能示意如图3所示。

图3 月面人机联合系统功能示意Fig.3 Function of lunar human － robot synergy system

3 月面人机联合探测模式分析

为了发挥人机联合探测优势，通常需要根据航天员、类人机器人与月球车各自的特点，以不同组合方式来开展人机联合探测任务。根据探测任务中航天员、类人机器人以及月球车的不同配合方式，作者认为可将月面人机联合探测分为类人机器人遥操作模式、二元联合探测模式和三元联合探测模式。

3.1 类人机器人遥操作模式

类人机器人遥操作模式与交会对接的遥操作模式类似［16］，是指位于着陆器内的航天员或位于地面操作中心的航天员通过遥操作方式，控制类人机器人在月面执行探测任务。

着陆器内的遥操作控制端作为人机交互的接口由遥操作区和监视区组成［17］。遥操作区接收航天员的操作信号，转化为控制指令后发送至类人机器人执行;监视区接收远端机器人的反馈信息并显示，供航天员对现场任务环境进行感知。地面操作中心的遥操作方式类似，只是需要在地面操作中心通过地月通信系统将指令和信号传输至月面类人机器人，通过指令与状态的地月通信，地面遥操作类人机器人的延时效应将进一步加大［18］。

3.2 二元联合探测模式

二元联合探测模式是指航天员着登月服出舱，与类人机器人配合，在月面活动支持子系统的支持下，联合开展月面探测活动。该模式主要执行短距离范围内的月面探测任务，其主要工作流程为:

1)航天员执行过闸程序，穿着登月服，设置类人机器人状态，携带应用载荷和工具等，完成月面活动的准备;

2)航天员和类人机器人出舱，到达预定地点后联合执行操作任务;

3)航天员和类人机器人完成任务后返回，安放采集样品，对类人机器人进行能源补充和状态设置，之后执行返回过闸程序，进入舱内。

工作流程示意如图4所示。

图4 二元联合探测模式工作流程Fig.4 Procedure of two-element joint exploration mode

3.3 三元联合探测模式

三元联合探测模式是指航天员着登月服出舱，与类人机器人搭载月球车，在月面活动支持子系统的支持下，联合开展月面探测活动。该模式除具备二元探测模式所包括的能力外，还具备较远距离范围探测、多探测任务同时执行、以及远程补给与救援能力，其主要工作流程为:

1)航天员执行过闸程序，穿着登月服，设置类人机器人和月球车状态，将应用载荷和工具等安放在月球车上，完成月面活动的准备;

2)航天员驾驶月球车，携带类人机器人执行月面任务;驾车过程中航天员通过脐带优先使用车上的消耗品;到达预定地点后联合执行操作任务，或放置机器人，航天员驾车前往另一地点执行操作任务，此时机器人可通过遥操作模式实现控制;

3)航天员完成探测任务，驾车携带类人机器人返回，安放采集样品，对类人机器人和月球车进行能源补充和状态设置，之后执行返回过闸程序，进入舱内。

工作流程示意如图5所示。

图5 三元联合探测模式工作流程Fig.5 Procedure of three-element joint exploration mode

4 月面人机联合探测任务规划

4.1 探测任务想定

参考阿波罗计划的月面探测任务［19］，典型月面活动可分为地质考察、月球样品采集及月面科学实验，各项活动的具体描述如下:

1)地质考察:月海、高地、峡谷和火山口等地质单元的地貌拍摄以及地质数据采集;科学探测仪器的安装和调试:安装激光反射器、天文望远镜、月震仪、磁力仪、空间环境探测包和其它探测仪器等;

2)月球样品采集:进行岩心钻探以及岩石、土壤采挖;

3)月面科学实验:进行月球内部物理探测、月球环境探测等。

4.2 人机能力特性分析

采用人机联合方式执行以上探测任务，需要根据人机各自的能力特性，形成人与机器的完美搭配。

［20］，从三个层面上对人与机器的能力特性进行了比较。首先是感知层面，即系统对外界信息的获取;第二是决策层面，基于感知得到的信息进行判断和决策;第三是执行层面，执行决策层面所做出的决策结果。比较结果如表1所示。

从人与机器人的功能特性对比可以看出:

1)人与机器人相比在智能决策、综合感知、意外处理等方面，具有优势;

2)一些快速运算、复杂精密、单调重复、长期连续、重载、环境恶劣的探测任务，适合机器人完成;

3)人的优点正好是自动化控制的缺点，而自动化控制的优点又正好是人的缺点，两者互补形成了人机联合的基础。

表1 人机适合完成的功能比较Table 1 Function comparison of human and machine

4.3 任务分配方案

在月面探测任务中，应根据任务的复杂程度以及航天员和类人机器人各自的优势，采用不同的人机联合方式，实现探测效率的最大化。根据各项具体任务中航天员和类人机器人的参与程度，本文将人机联合方式分为“人主机辅”、“机主人辅”以及“人机协同”三种。

将4.1中各项活动进行功能分解，结合4.2中人机特性的分析，可对航天员和类人机器人适合执行的月面探测任务进行分配，如表2所示。

表2 月面探测任务分配Table 2 Assignment of lunar exploration task

5 展望

航天员与类人机器人月面联合探测是实施月球探测任务的有效途径。然而，该项技术距离工程实施还存在一定的差距，在后续研究中应着力对以下关键技术进行攻关:

1)类人机器人技术

类人机器人是月面人机联合探测的直接执行单元，其主要依托技术有机械结构技术、控制技术、传感技术、通信技术和电源技术等。其中控制技术是实现类人机器人月面活动的核心技术，包含机器人行走的路径规划和稳定控制。

2)人机协同操作技术

人机协同操作技术是在探测任务规划的基础上，根据任务内容、人机特性以及环境等因素，分阶段、分自由度以及分控制权重，设计具体操作过程中，人机的协同方式。

3)遥操作控制技术

当操作员从地球或轨道舱内对月面类人机器人进行遥操作控制时，面临的一个关键问题是控制回路中存在时延，时延将影响控制系统的稳定性及控制效果，因此，应研究克服时延的控制方法。

4)能源通信等支撑技术

月面航天员和类人机器人不可能单独的完成任务，需要能源、通信等技术的支持。能源补给站主要为类人机器人和月球车进行能源补给，通信站主要为航天员、类人机器人和月球车提供通信和定位服务任务，具备与月球车、月面活动机器人之间的无线电通信保障及视频监控传输与转发功能。

5)地面仿真验证技术

地面仿真验证技术主要包括月面环境模拟技术、类人机器人模拟技术和遥操作控制回路模拟技术等。月面环境模拟包括月球引力场模拟和月面地形地貌模拟，类人机器人模拟技术即研制月面探测类人机器人的原理样机，遥操作回路模拟技术主要实现遥操作控制端的模拟和时延模拟。

月面航天员与类人机器人联合探测技术可有效保障月面探测任务的实施，目前研究还有很多技术问题亟待解决。可以预见，随着对以上关键技术的不断深入研究，月面人机联合探测技术将会在月球探测任务中发挥重要作用。

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