探月足式飛躍機器人設(shè)計與控制*

2020-08-31 12:40:24楊建中姜水清陳先寶劉仁強齊臣坤

飛控與探測 2020年4期

高峰，尹科，孫喬，肖濤，楊建中姜水清，陳先寶，孫競，劉仁強，齊臣坤

(1.上海交通大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院·上?！?00240；2.北京空間飛行器總體設(shè)計部·北京·100094)

0 引言

外星探測器依賴于探測裝備完成探測任務(wù)。國際上，外星探測器常由著陸器和巡視器組成[1-2]。著陸器不能行走，僅能攜帶巡視器在外星表面安全著陸；巡視器只能用于在外星表面行走探測[3]。外星探測器的質(zhì)量直接影響著探測成本，其每千克的運載費用需數(shù)十萬美元。如果能夠把著陸器和巡視器融為一體，設(shè)計出可在月面反復(fù)著陸和行走的飛躍器，則可顯著減小外星探測器的質(zhì)量，大幅減少外星探測的成本。發(fā)明和開發(fā)將著陸器和巡視器融為一體的、可在月面反復(fù)著陸和行走的飛躍器，對月球和外星探測均具有明顯的經(jīng)濟價值。由于人類還沒有實現(xiàn)腿式機器人探測月球，腿式月球探測飛躍器的開發(fā)可體現(xiàn)我國航天領(lǐng)域自主創(chuàng)新能力。

腿式月球探測飛躍器的開發(fā)依賴于設(shè)計技術(shù)。設(shè)計有兩種方法：一是已知裝備構(gòu)型，分析機構(gòu)的功能和性能，然后完成結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計，這是引進消化產(chǎn)品實現(xiàn)逆向設(shè)計的主要手段；二是從無到有的創(chuàng)新方法，即已知功能和性能要求，綜合出機構(gòu)構(gòu)型，再完成結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的設(shè)計，是自主創(chuàng)新設(shè)計產(chǎn)品的正向設(shè)計方法，如圖1所示。

設(shè)計是體現(xiàn)人類智慧和創(chuàng)造力的高級活動。設(shè)計的核心價值是發(fā)明出新產(chǎn)品。創(chuàng)新需要自信，正如明末清初著名畫家石濤所言“古人之須眉，勿能生我之容貌”。自信是創(chuàng)新的重要基礎(chǔ)。

設(shè)計既是科學(xué)，又是藝術(shù)?？茖W(xué)是“發(fā)現(xiàn)”客觀世界的規(guī)律，機械工程就是在牛頓定律的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，藝術(shù)是研究人腦主觀世界對大自然的感性反映，通過模仿表達情感。大自然創(chuàng)造每一條生命，不僅給他“肢體”，同時還給他“靈魂”。人類設(shè)計的機器人如果沒有“靈魂”，那只是一位好的設(shè)計師；如果機器人具有“靈魂”(智能化)，那將富有極大的創(chuàng)造力，是機械設(shè)計永遠追尋的方向?？茖W(xué)是認知自然方法，而技術(shù)是變革世界的工具。在當今的工程時代，改造世界的工具是設(shè)計技術(shù)，設(shè)計要體現(xiàn)“文化、品味和個性”三個要素。

大自然設(shè)計了兩足、四足、六足、八足和蛇等。自然界給了萬物肢體，更創(chuàng)造了靈魂。機器人的智能來自肢體與“靈魂”的結(jié)合。大自然創(chuàng)造地球的同時，還創(chuàng)造了一個月亮，月球是大自然留給人類通往宇宙的一扇門，如圖2所示。

圖2 月球是人類探索太空的唯一橋梁

目前，月球探測器由著陸器和巡視器組成，如圖3和圖4所示。功能單一的著陸器搭載巡視器的發(fā)射方式代價高昂。目前，著陸器均是采用被動緩沖設(shè)計，吸能結(jié)構(gòu)只能實現(xiàn)一次性使用。美國和蘇聯(lián)在70年代就開始研究輪式巡視器[4-6]。我國探月著陸器和月球車已經(jīng)兩次成功到達月球，并于2019年1月3日首次到達月球背面，實現(xiàn)了人類首次在該區(qū)域內(nèi)的科學(xué)探測。我國玉兔號月球車的研制水平，已進入國際先進行列[7-8]。雖然國內(nèi)外已有許多月球和外星探測的著陸器[9-13]和巡視器[14-16]的研究成果，但是還沒有針對既能著陸又能行走的著陸和巡視一體化的探測器的研究。如果外星探測器既能著陸又能行走，其便可利用自身攜帶的發(fā)動機，在月面反復(fù)著陸和行走探測，實現(xiàn)一次發(fā)射，多次著陸和行走探測。這將明顯提高外星探測效率，大幅降低探測成本。

圖3 外星探索著陸器

圖4 外星探測巡視器

1 探月足式飛躍機器人機構(gòu)設(shè)計

月球探測器實現(xiàn)多次著陸和行走探測飛躍機器人的設(shè)計挑戰(zhàn)，是如何在月面著陸動能大、緩沖時間短、裝機質(zhì)量限制嚴苛等條件下，使反復(fù)著陸-行走月球飛躍器能在非結(jié)構(gòu)化月面環(huán)境實現(xiàn)高頻響主動緩沖著陸。完整的月面低空飛躍探測器包括飛船和著陸器系統(tǒng)兩個部分。其中，飛船搭載了主推進器、空中姿態(tài)調(diào)整模塊、通信模塊及各種探測儀器。另一方面，著陸器系統(tǒng)為具有主動緩沖功能的著陸腿。該腿具有三個自由度，分別通過三個伺服驅(qū)動電機進行控制，可以自主伸長、縮短或折疊。

著陸-行走月球飛躍器機構(gòu)的驅(qū)動希望將電機都安裝在著陸腿髖關(guān)節(jié)上，將“驅(qū)動器、電機、編碼器和扭矩傳感器”復(fù)合，設(shè)計出“力-控”一體化伺服驅(qū)動單元。如圖5所示，通過匹配該伺服驅(qū)動的精度與動力學(xué)參數(shù)，包括低慣量高精度大扭矩常數(shù)無框電機、高精度扭矩傳感器、高功率密度集成驅(qū)動器等設(shè)計，突破高能量密度、高剛度一體化伺服驅(qū)動設(shè)計技術(shù)，使驅(qū)動單元體積小、質(zhì)量小、驅(qū)動功率與自重比大，通過內(nèi)置驅(qū)動器使得力矩輸出波動小、響應(yīng)快、運動控制平穩(wěn)，開發(fā)出微型一體化驅(qū)動器。微型一體化驅(qū)動器實現(xiàn)了輕量化設(shè)計，其自重為1.3kg，可提供持續(xù)150Nm和瞬時200Nm的輸出力矩驅(qū)動能力。

圖5 探月足式飛躍機器人復(fù)合驅(qū)動單元

新型腿式探測器通過主動控制實現(xiàn)著陸緩沖，需要同時考慮運動和動力學(xué)特性，以設(shè)計飛躍機器人腿的機構(gòu)。如圖6所示，飛躍機器人的單腿機構(gòu)采用了并聯(lián)機構(gòu)設(shè)計腿的主運動傳動，采用3只“力-控”一體化伺服驅(qū)動單元，實現(xiàn)輕量化、高能量密度及高頻響特性，通過力矩傳感器實現(xiàn)扭矩阻抗控制和高速主動緩沖。圖7所示為設(shè)計和開發(fā)的探月四足和六足飛躍機器人著陸-行走機構(gòu)系統(tǒng)。如圖8所示，月球著陸緩沖飛躍器腿機構(gòu)的系統(tǒng)開發(fā)需要實現(xiàn)主動控制著陸緩沖，必須通過動力學(xué)仿真和地面實驗相結(jié)合的方式來驗證控制算法和著陸緩沖效果。

圖6 探月飛躍機器人腿的機構(gòu)設(shè)計

圖7 探月四足和六足飛躍機器人機構(gòu)設(shè)計

圖8 LLBF：月球著陸緩沖飛躍器腿機構(gòu)系統(tǒng)開發(fā)

2 探月足式飛躍機器人動態(tài)控制仿真

著陸和行走探測飛躍機器人是新型腿式探測器，通過主動控制實現(xiàn)著陸緩沖，需要用動力學(xué)仿真和地面實驗相結(jié)合的方式來驗證主動控制算法和著陸緩沖效果。在探測飛躍機器人的設(shè)計完成后，還需進行動力學(xué)仿真。動力學(xué)仿真是在樣機制造之前，根據(jù)著陸器設(shè)計指標中的輸入測試條件，對著陸器系統(tǒng)方案和控制算法進行仿真驗證和優(yōu)化，評估著陸器系統(tǒng)的性能是否滿足要求。動力學(xué)仿真要建立仿真環(huán)境和確定著陸行走工況的順序。動力學(xué)仿真可用于研究探測飛躍機器人設(shè)計的優(yōu)劣，評估機器人系統(tǒng)的性能是否滿足要求。在這里，將控制算法與動力學(xué)計算協(xié)同進行仿真。圖9和圖10所示分別為六足和四足探測飛躍機器人的著陸仿真。

圖9 六足飛躍器著陸仿真

著陸工況是根據(jù)設(shè)計指標要求，設(shè)置不同的著陸仿真初始條件，包括負載、豎直下落速度、水平初始速度、水平速度與機身夾角方向、機身翻轉(zhuǎn)角速度初值、翻轉(zhuǎn)角速度與機身夾角等，對探測飛躍機器人著陸動作進行動力學(xué)仿真，來驗證著陸性能和功能。表1列出了用于仿真的兩種典型著陸初始條件，分別為垂直著陸和平拋著陸。工況1模擬機器人在著陸場上空調(diào)整姿態(tài)后，負載120kg，在2.1(m/s)的垂直下落初速度條件下，開始垂直下落著陸。仿真結(jié)果如圖10所示。由圖10可以看到，著陸器從高處下降觸地后，四條腿主動收縮，以吸收著陸沖擊能量。同時，身體姿態(tài)穩(wěn)定功能開始工作，使著陸器身體保持水平，不發(fā)生傾覆。關(guān)節(jié)扭矩仿真結(jié)果顯示，最大關(guān)節(jié)扭矩為108Nm，與諧波減速器峰值扭矩200Nm相比，安全扭矩裕量為46.0%。整個著陸穩(wěn)定過程的持續(xù)時間約為1s，總體滿足設(shè)計要求。

表1 著陸初始條件

圖10 著陸緩沖過程仿真

3 探月足式飛躍機器人著陸控制地面實驗

著陸和行走探測飛躍機器人地面實驗是驗證主動控制算法和著陸緩沖效果的必要手段。飛躍機器人腿的各個驅(qū)動關(guān)節(jié)都具有力矩傳感器，可用于實時辨識各腿足端月面接觸力，這是飛躍機器人實現(xiàn)主動柔順著陸的前提。圖11所示為飛躍機器人地面實驗系統(tǒng)。利用該地面實驗系統(tǒng)進行四足和六足飛躍機器人著陸實驗，如圖12所示。實驗條件為探測器在2米高度，水平初速度為0(m/s)和0.6(m/s)。在斜面、臺階等不同地形條件下分別進行動力學(xué)實驗，記錄關(guān)節(jié)力矩、機器人的身體位置，考核系統(tǒng)的動力學(xué)參數(shù)和性能。

圖11 飛躍機器人地面實驗系統(tǒng)

圖12 探月四足和六足飛躍機器人著陸實驗

在樣機實驗時，通過配重實現(xiàn)月球G/6的重力環(huán)境地面模擬，四足、六足著陸器位置、速度和加速度可以通過激光跟蹤儀實現(xiàn)實時記錄。電機的力矩可以檢測地面的接觸剛度。主動柔順控制算法的實際緩沖效果可以通過實驗進行驗證。在四足著陸實驗中，降落速度為2.1(m/s)，系統(tǒng)總重為200kg。腿式機器人如果能夠登上月球，將是中國在航天領(lǐng)域的重大突破。圖13所示為探月四足飛躍機器人的著陸實驗，實驗條件為負載180kg、下落速度為2.1(m/s)，水平速度為0(m/s)，翻轉(zhuǎn)角速度為1(°/s)。

圖13 探月四足飛躍機器人著陸實驗

六足飛躍探測器與四足飛躍探測器相比，既具有更高的著陸可靠性和行走的快速性，又具備明顯的安全穩(wěn)定性和容錯性。六足探測器可實現(xiàn)腿折疊和展開，這有利于在發(fā)射時減少占用空間，可實現(xiàn)五足、四足和三足容錯著陸，安全穩(wěn)定性和容錯性好。六足機器人在月球基地地面實驗中心進行行走實驗，完成細沙地形下基于視覺自主避障和20度沙坡的上下行走。

4 結(jié) 論

本研究依托航天五院總體部與上海交通大學(xué)合作項目“反復(fù)著陸器設(shè)計”，針對月面低空飛躍探測器系統(tǒng)展開了針對四足和六足飛躍探測器的初步研究；采用并聯(lián)式主運動腿式機構(gòu)，使其具有在多種復(fù)雜地形上主動緩沖著陸和行走的適應(yīng)能力；針對著陸器的驅(qū)動系統(tǒng)，設(shè)計了一種新型高功率密度力控驅(qū)動單元；針對腿部結(jié)構(gòu)件，進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了輕量化；針對著陸和行走過程的控制問題，提出了基于主被動復(fù)合緩沖原理的設(shè)計思路和控制方法，實現(xiàn)了飛躍器著陸過程的緩沖、身體穩(wěn)定及在著陸后的穩(wěn)定行走，具有多次緩沖、自主移動、可收攏展開、著陸姿態(tài)調(diào)整、復(fù)雜地形適應(yīng)等多種功能。