月面服务机器人研究进展及发展设想

针对我国后续无人月球探测和载人月球探测中巡视勘察、资源利用、设施建造等任务对多功能巡视作业功能的月面服务机器人的迫切需求,综述了国内外轮腿式、可重构、仿生、翻滚式、弹跳式等新概念月面机器人的研究进展;结合无人月球探测及有人月球探测的任务,分析了月面活动对机器人高效移动、载荷操作、月面组装等需求;在此基础上,提出了月面服务机器人向轮腿式、可重构、多机协同、人机协作等方面发展的设想。可为我国后续无人月球探测和载人月球探测提供参考和借鉴。     

月面机器人探测路线图及典型方案研究

月面机器人具有环境适应性好、工作时间长和安全性高等特点,是未来无人/载人月面探测中的重要支持系统。在分析整理国内外月面机器人探测历史与规划的基础上,梳理月面机器人探测任务需求。结合中国探月工程总体规划和技术水平,提出月球南极、中低纬度和月球背面月面机器人探测的路线图,并从科学价值、工程可行性等方面对各阶段着陆地点进行初选;详细阐述以水冰探测和生物学实验为主要目标的月球南极Shackleton山跨明暗界线探测方案,以及以人机联合探测、大深度地质钻探为特色的中低纬度海陆边界区探测的任务目标和系统方案,可为探月任务的实施提供参考和启示。     

人机共融机器人的月面驻留服务及应用展望

针对我国载人登月工程目标和任务需求,综述了人机共融机器人技术的研究进展,分析月面驻留活动中人机共融机器人的任务、能力需求和关键技术。在此基础上制定了共融机器人系统在我国首次载人登月中的任务目标和能力需求,提出首次载人登月中"人机共融"作业系统的工作模式。为共融机器人在我国后续无人、载人月球探测以及月面驻留服务的应用提供借鉴和参考。     

月面人机联合探测概念研究

月面人机联合探测是载人月球探测任务的基础,是制定载人登月任务模式、设计登月飞行器系统方案的前提。以未来载人登月和月球基地任务为背景,对月面人机联合探测的需求进行了分析,梳理了不同阶段月面典型作业活动,并以此为基础,对月面人机联合探测系统方案进行了论证,设计了面向不同任务的系统组成,分析了月面人机联合探测关键技术,为后续开展有人参与的月球探测任务提供参考。     

月面人机联合采样探测发展趋势与任务设想

针对月球资源的探测与原位利用需求,概述了月球资源遥感探测、采样返回分析及原位采样探测技术现状和发展趋势。面向载人登月采样探测工程需求,围绕月面人机联合采样探测,提出了不同阶段表层样品采样探测、广域分布式原位探测、大尺度月壤剖面科学钻探等任务设想,为我国未来载人月球探测总体方案制定和航天员用智能设备的研制提供参考。     

航天员与类人机器人月面联合探测概念初步研究

介绍了人机联合探测中涉及的类人机器人、遥操作、人机共享控制、地面验证等技术发展现状;对月面类人机器人与航天员联合探测的概念进行了初步研究,规划出了月面人机联合探测系统结构、探测模式和探测任务等;并对类人机器人技术、人机协同操作技术、遥操作控制技术和地面仿真验证技术等关键技术进行了总结。     

轮腿式可移动载人月面着陆器概念设想

为提高月面探测的机动范围和探测能力,提出了一种新型轮腿式可移动载人月面着陆器方案设想,综合载人月面着陆器和月球车的能力,具备轮式高速移动和腿式高效避障的优点,支持月面着陆和起飞任务的执行,支持较大范围的机动作业,支持月球基地构建和运营,满足载人登月以及月球基地任务的应用需求;提出了轮腿式可移动载人月面着陆器所涉及的关键技术,可作为后续开展深入研究的参考。     

一种基于UPDM的载人月面活动体系架构建模研究

针对未来载人月球探测月面活动具有多阶段、多场景、多飞行器协同工作的特点,基于体系工程方法论,开展了基于UPDM的月面活动体系架构建模方法和建模过程研究。通过对月面活动体系架构的建模,定义了月面活动体系总体构想,建立月面活动体系能力谱系,分析月面活动体系运行活动,定义月面活动体系能力解决方案,详细梳理了月面活动系统功能,并对不同飞行器配置下月面活动能力进行了评估。初步验证了建模方法和建模流程的可行性,为未来月面活动任务设计提供支持。     

月面大范围探测功能需求分析及其研究现状

为满足月面大范围探测任务中千公里级探测范围要求,分析了月面大范围探测应满足的基本任务和功能,通过对行星探测器研究现状和发展状况的调查研究,得到了实现大范围探测的4种潜在技术途径。结合月面大范围探测器的任务和功能需求,确定月面飞行器方案为大范围探测的最优方案。该方案能够满足要求,为大范围探测前期研究提供可靠参考。     

小型星表探测机器人发展现状与趋势

针对深空探测中（尤其是月球、火星和小行星探测）大型着陆探测器对小型移动机器人作为重要科学载荷的需求,综述了国内外小型星表探测机器人领域的发展现状,着重介绍了面向月球探测、火星探测和小行星探测的代表性小型机器人的任务需求、基本构型和样机测试情况。在系统总结小型星表探测机器人关键技术及发展趋势的基础上,提出了未来中国在该领域发展、完善的建议。分析表明：月球探测的高研究价值区域多位于崎岖地形中,体积小、运动性能强的轮式、足式机器人受到广泛关注,日本、英国、瑞士等国家已提出多种小型机器人概念,并研发原理样机进行测试试验;针对火星等存在稀薄大气层的星体探测,定位于配置组件的旋翼式无人机已成为国内外关注和研制的重点之一,同时面向特殊极端地形探测的小型轮式、翻滚式机器人也进入到原理样机测试阶段,美国在这些领域均保持突出优势;针对小行星等小质量、弱引力天体探测,小型翻滚式机器人成为其着陆探测的主流,美国开展了原理样机设计与试验,日本通过"隼鸟2号"任务已成功实现在轨应用。     

月面巡视机器人快速安全路径规划

为提高月面巡视机器人自主探测任务的效率及安全性,提出了一种基于月面数字高程地图的大范围自主探测快速安全路径规划算法。首先根据获取的月面数字高程地图设计了一种地形可通过性分析方法,并生成了欧几里得距离地图（EDM）为安全路径规划提供参考。然后针对A^*算法解决月面巡视探测问题时搜索速度慢、未考虑路径安全性的问题,提出了FSA^*算法,改进了A^*算法的搜索机制以适用于月面大范围路径的快速搜索,并结合EDM地图设计了一种安全启发式函数,可使生成路径尽量远离危险区域,提高了巡视机器人自主探测过程的安全性。最后选取月球艾特肯盆地区域作为仿真场景,验证了该算法的有效性。     

星球表面着陆巡视一体化探测机器人研究进展

针对深空探测领域星球表面着陆巡视一体化的探测任务需求,全面而简要地回顾了国内外星球表面着陆巡视探测任务的发展历程,概述了在着陆过程中减速和缓冲减振方法及移动探测情况,指出了传统着陆巡视系统存在系统复杂、可靠性低、着陆缓冲装置的质量和体积占比高、着陆后姿态无法调整等局限,对比分析了着陆巡视一体化机器人的优势。在此基础上,分别综述了腿式移动机器人、风力驱动球形机器人、小型跳跃机器人和张拉整体机器人等具备着陆巡视一体化功能的机器人的研究进展;对各类机器人的性能特点进行了对比分析并给出了各自的适用范围;最后展望了未来星球表面着陆巡视一体化机器人的发展趋势,探讨了未来有待于进一步深入研究的难题及可能的解决途径。     

可移动式月球着陆器在载人月球探测活动中的任务分析

基于对阿波罗计划登月舱以及其它载人月球探测计划着陆器系统任务的调研,针对固定式着陆器任务与功能的局限性,提出了可移动式月球着陆器概念,以未来载人登月以及载人月球基地任务为背景,分析了可移动式着陆器在月面大范围探测、增强探测灵活性和月球基地建造、运营等任务中的优势:移动式月球着陆器能够兼顾载人登月任务和月球基地任务,优化月面系统组成,实现两个任务的衔接和过渡,对以建立月球基地为目标的载人航天计划、移动式月球着陆器以及基于着陆器形成的探测模式都很有助益。     

月面灵巧探测网络系统设计探讨

针对月球广覆盖、长时连续探测的需求,提出了一种基于无线传感网络的月面灵巧探测网络系统.该系统以低功耗探测器作为感知节点,基于LoRa技术构建月面分布式探测网络,通过容器技术封装上层信息处理流程,实现月面探测数据实时处理.仿真选取了月球南半球一块面积为23350 m×58300 m的典型区域,搭建了月面灵巧探测网络的地面...     

面向月面探测的空间机器人-航天员手势交互方法的研究

针对月面探测机器人-航天员手势交互的问题,以航天员助手机器人(AAR-2)为实验平台,运用卷积神经网络模型,提出了一种静态手势识别方法。采用该方法对设计的8种空间人机交互手势进行了手势识别试验,并将试验结果与单通道的CNN等方法的结果进行对比,证明了该方法能在一定程度上提高静态手势识别率,识别准确率达到93.3%。并自制了一套小型空间人机交互的手势数据集,用以补充该方法在月面探测的实际任务中的不足。     

我国首次载人月球车任务需求分析

载人探月任务中,载人月球车在确保航天员安全的同时,需要有效拓展航天员月面活动范围、提高航天员月面工作效率。针对此问题,分析国内外载人月球车研究现状和技术特点,结合我国首次载人月面探测任务,从工作模式、安全、人因工程、高速移动、平台保障、工程实现、后续扩展等方面分别开展论述,分析了我国首次载人月球车的任务需求,可作为首次载人月球车的设计参考。     

基于MBSE的月球科研站任务分析

月球探测在完成“绕落回”三步走后，从单点短期探测向建设月面基础设施的月球科研站长期探测转变，给月球探测任务的规划论证、总体设计、系统研制和在轨探测等提出了更高要求。本文采用基于模型的系统工程（MBSE）思想，提出适宜的基于模型的月球科研站系统分析正向流程，以系统模型作为载体依次深入剖析任务总体、任务使命需求和任务应用场景。通过开展基于模型的月球科研站任务分析，初步实现了月球科研站任务分析过程正向化、设计要素定义全量化、设计要素之间的关联表达显性化、月球科研站工程总体单位下发的研制要求有源化。     

“秋千式”月面下降/上升单级可重用运输系统概念设计

针对未来载人月球探测的任务需求,提出了"秋千式"月面下降/上升单级可重用运输系统的概念设计方案。对运输系统组成与功能、任务过程、方案可行性以及发射成本进行了分析,并提出了方案面临的技术挑战。结果表明:相比阿波罗计划,方案中单次载人探月任务发射质量可减少至原来的1/3以内,月面下降/上升速度增量需求也能降低1/2以上;可重用运输系统能有效增加任务次数,充分提高任务的经济性,且在强度和轨道设计方面初步具备可行性。     

星表移动探测机器人研究现状综述

星表移动探测机器人是多学科、高新技术的结晶,用于非结构化环境中的星球表面探测,能有效减轻人类工作强度、保护人身安全以及代替人类完成恶劣环境下的科研探测工作,有着巨大的经济和社会效益。本文对已发射的探测器进行了统计,系统梳理了成功着陆月球、火星的探测机器人的技术参数、结构与机构组成等,综合对比了各国在星表移动探测机器人研制方面的技术状态。结合国内外的研究现状和成果,重点针对星表移动探测机器人移动系统的研究进行了梳理,将星表移动探测机器人从运动形式上划分为轮式、腿式、履带式及其他类型4种形式,对每类机器人的研究进展、技术参数、结构与机构形式、运动形态等进行了系统回顾和详细分析。结合星表移动探测机器人面临的探测任务及发展方向,对星表移动探测机器人未来发展趋势进行了展望。     

嫦娥探测器分段渐倾转移机构设计

巡视探测器转移机构是在地外空间环境执行巡视探测器转移释放任务的空间机构。与美国、苏联转移任务不同，中国探月工程（CLEP）二期着陆器采用腿式着陆缓冲机构及巡视器顶部搭载方式，转移任务沿着陆器周向展开距离及巡视器释放高度增加，转移难度增大。在设计阶段，转移机构是否符合探测任务严苛的工程约束及设计指标；在执行阶段，转移机构能否在月面非确知环境下正常展开、转移过程是否稳定可靠，是嫦娥探测器顺利完成探测任务的关键。为保障月球后续任务及火星探测任务中转移机构的设计需要，根据巡视器转移系统特点，以探月二期工程中首次探索并成功自主设计定型的嫦娥分段渐倾转移机构为例，对巡视器转移系统的组成、任务需求及设计约束予以阐述，并结合参研人员经验，对机构研制方案的选取、关键环节设计、工程状态及任务验证情况进行说明，以为后续工作及相关工程提供参考。