“極地漫游者”未來可替人探索南極

在南極，有一個“大家伙”在從事科考工作，它長1.8米，高1.2米，寬1.6米，重300公斤，可在風能發電驅動下不間斷地晝夜行走，還能跨越高度半米以上的障礙物，并能在冰蓋復雜的地形下進行自主導航控制，在國內通過衛星線路可對它進行遙控。它就是2 月份隨雪龍號科學考察船一起到達南極的“極地漫游者”，雖說是“漫游”，但它的目標卻很明確，它非常懂得自己在這里的任務就是檢驗自身對大氣觀測、冰雪取樣、冰蓋移動等自主環境的監測能力。

如今，“極地漫游者”圓滿完成科考任務并順利返航，這臺我國研發的首個基于風能驅動的科考機器人，為將來建立無人值守科考站或移動式科考艙提供先期平臺支撐的技術積累和測試。未來它還可搭載大氣傳感器、冰雪取樣器、地理地質分析器等50公斤的任務載荷。為了詳細了解“極地漫游者”的技術性能及其后續發展情況，本刊記者采訪了本項目的負責人、北京航空航天大學機器人研究所王田苗教授和該項目的全程參與者張韜懿博士。

各國機器人紛紛登陸南極

近年來，美國、加拿大、日本等國十分重視極地科考機器人應用技術的研發，如美國NASA正在試驗的以風能為主太陽能為輔的機器人，北歐國家研制的純太陽能漫游機器人。中國也不例外，“ 中國每年都有大型的科考團隊在南極登陸作業。”王田苗說，“但是，極地氣候異常惡劣，科考人員的交通、后勤等環節一直是科研活動的難點，而風能科考機器人可以自行解決這些問題。并且，南極科考是一個艱苦而危險的任務，為了以后可以擴展更多的科考站又能減少人的介入，研發機器人系統就是一個可行的技術路線。”本次“極地漫游者”南極試驗驗證了通過激光雷達、視覺信息、GPS 和慣性導航信息進行融合導航的可行性，為未來進一步工作提供了基礎。

極地氣候挑戰科學家智慧

張韜懿介紹，“極地漫游者”以風能作為主要能量來源為電池補充電力，采用的是UGE希翼公司生產的“后羿垂直軸風力發電機”，可以搭載近50公斤重的儀器，在風速每秒8米至15米的時候通過風電驅動不間斷行走。“北歐國家依據自身條件進行過純太陽能冰雪漫游機器人研究，但現階段太陽能獲取效率仍然較低，同時南極存在極晝極夜現象，造成能源的時間分布不均勻等缺點，所以我們認為風能仍然是再生能源漫游機器人獲取能源的主要方式。”張韜懿說。

為適應南極多變的地形，“極地漫游者”主要由兩部分組成，一是位于車體上部的三片紅色風葉，然后就是擁有四個輪子的車體。機器人結構上使用了差動連桿機構，四輪采用獨立驅動結構，每個輪胎單獨控制速度和扭矩，主電池為四個輪內電機分別提供動力。整車的四條擺臂可以獨立改變角度，同時具有聯動的功能，在斜坡行走時可以自動調整擺腿角度以使車體保持平衡，這個特點讓該機器人可以翻越半米多高的障礙物，同時便于安裝衛星通訊、視覺攝像機、激光雷達等儀器。在遇到大風雪的情況下它還可以通過調整擺腿角度架高車身，以避免車下積雪。

“極地漫游者”屬于風能機器人，而風能獲取能源的過程與風速、氣溫等密切相關，且在時間上并不穩定。這就首先必須解決低溫電池動力的問題，傳統電池系統在低溫下由于化學反應的原因均會導致電池容量和放電能力下降，機器人對電池的放電能力要求很高，這就對電池的選型和保溫結構設計提出了比較高的要求。經過對現有電池種類的篩選和試驗，科研人員選擇了在重量、放電能力、低溫性能、重復充放電性能比較均衡的型號。

無人科考站是未來發展方向

由于國內模擬試驗無法完全模擬南極的氣候和環境特點，極地漫游者在南極試驗之中仍然遇到了很多問題。首先是機器人的長途運輸和保障問題，因為需要使用雪龍號運輸超過12000km，機器人需要合理的拆卸、固定、重組。其次，機器人在中山站至內陸行進的過程中會遇到松軟的沙石路面、堅實的巖石地面、重融冰面等不同路況，這就對機器人驅動機構提出了很高的地形適應性要求。此外，南極風吹雪情況會給機器人帶來視覺導航無法使用、難以進行遙控操作等問題，當機器人在室外停止一段時間后，雪往往會將機器人掩埋。

“極地漫游者”返航后，針對這些在去南極之前沒有考慮到的問題，科研人員對機器人系統正在進行進一步地改進，讓機器人車體更輕，功耗更低，同時引入全景攝像模塊和自主導航模塊，在接下來的時間里準備進行自主導航試驗，提高機器人對環境的識別判斷能力和自我導航能力。在今年暑期，科研人員打算在內蒙古進行一次風能驅動的漫游試驗，以驗證新增加的系統。同時在今年冬季，如果條件允許，他們會在東北進行全系統模擬測試，希望未來在后續項目支持的情況下可以繼續南極的試驗和現場研究。

“未來機器人在南極的發展方向主要是免維護、無人值守、自主漫游等。機器人更多的是作為一個科考儀器載體或人的延伸進行數據采集、樣品采集等任務，逐步從地面向空中甚至高空延伸，從而最終形成無人科考站的模式。”王田苗說。