太空探索机器人的构思与实践

苗文崧 赵国锋

（郑州中学，河南 郑州 45000150001）

目前很多发达国家都开展了“无人”太空飞船对于太空星球的探索，“无人”太空飞船基本上可以抵达太阳系的每一个角落，它们正在探索包括小行星、彗星、行星以及矮行星在内的各种星体。人类进行太空探索的一个重要目标之一就是在太空中寻找人类宜居的星球，水源、空气、光照、土壤、矿藏等是人类生存的基本条件，只有对所研究的星球进行实地探测，获得详细准确的数据，才能够让研究人员通过数据分析，判断出该星球是否适合人类居住。

我们的主体思路是：“无人”太空飞船抵达降落在某个星球上之后，舱门打开，太空飞船里的探测机器人登陆星球，智能运行设定的各项功能，对这个星球的引力重力、空气成分、光照强度、土壤成分、矿藏种类等进行探测工作。我们根据这个思路进行了多次方案论证，构思形成了相对最优的设计方案，逐块完成了功能模块的制作和组装，然后进行总体合装，再经过多次改进调试，最终实现了我们所期望的所有功能，达到了预期目标，并在世界青少年机器人奥林匹克竞赛（WRO）中国区决赛项目太空挑战创意赛中获奖。

在结构设计上主要分为“无人”太空飞船的机械平台和探测机器人两大部分。机械平台可以展开，从里面释放出探测机器人，平台上设置有活动式跳板，可以保证探测机器人释放时不滑落下来并平稳行驶到地面。机械平台上也可以装备一些探测器、传感器，进行一些简单的测定任务。探测机器人由本体、车轮、中控系统、探测器、传感器、钻探机械手、分拣机械手等部分组成。它通过探测器、传感器来检测星球表面的地形地貌、重力、空气成分、光照强度、紫外线强度、温度、湿度等指标数据；通过钻探机械手的钻头和铲子进行岩石、土壤样本采集；通过带有光谱分析和颜色识别功能的探测器和传感器进行岩石、土壤样本的分类识别，确定捡拾目标物；通过分拣机械手进行样本的捡拾、装车。探测机器人在完成这些工作的同时，同步将照片、视频、数据等信息反馈回地球的地面指挥中心，以便研究人员进行地面指挥和开展相关研究工作[1]。完成所有预定任务后探测机器人向太空飞船的机器台发出交互指令，开动返回太空飞船的机械平台，太空飞船返航回到地球[2]。

图1 机械平台和太空探索机器人结构图

图2 探测器和感应器（机器人展开后）

中控系统包括EV3主程序块，6个NXT副程序块，红外线传感器和空气成分传感器用一个Adrino单片机进行控制。主机和单片机之间用R2C传输通道进行通讯传输，R2C的带宽较宽，可以快捷地实时传递信息。探测机器人下设置重力传感器，通过这些重力传感器可检测计算当地的重力[3]。

图3 中控系统结构图

我们这个太空探测机器人的创新点是：通过探测机器人把所有探测研究装备整合在一起，可以全方位地探测星球。每个任务是一个程序模块，通过主程序块把所有模块所反馈的信息进行整合并做出分析和判断，主控系统通过多个程序模块采集到的信息，对整个探测任务进行进一步设计和规划，相当于一条大船上载有很多船员，大家各司其职，主程序块像船长一样负责指挥调度，经过各级控制中枢分级调节之后，这个机器人就可以有条不紊地进行各项探测活动。

改进设想：①在机械平台上搭载一些简易的化学实验设备，使其具备简单的成分分析能力。②对可移动探测器的减震设施进行改善，并且改进其底盘结构，增强探测器对各种地形的适应能力。③在机械平台上搭载具有感光能力的太阳能电池板，使机械平台在展开之后能够快速补充能源，在机械平台与机器人之间建立触点式接口连接，在它返回机械平台时检测器可以快速地向控制中枢传输探测记录，并且快速补充能源，以便增多作业频率，提高工作效率。

[1]孙冶.移动机器人远程控制方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2009.

[2]（英）杰弗里斯.太空探索系列太空机器人[M].浙江：浙江教育出版社，2011.

[3]董仁威.少年科学院书库--机器人世界[M].合肥：安徽教育出版社，2014.