太空探索機(jī)器人的構(gòu)思與實(shí)踐

苗文崧 趙國鋒

（鄭州中學(xué)，河南 鄭州 45000150001）

目前很多發(fā)達(dá)國家都開展了“無人”太空飛船對(duì)于太空星球的探索，“無人”太空飛船基本上可以抵達(dá)太陽系的每一個(gè)角落，它們正在探索包括小行星、彗星、行星以及矮行星在內(nèi)的各種星體。人類進(jìn)行太空探索的一個(gè)重要目標(biāo)之一就是在太空中尋找人類宜居的星球，水源、空氣、光照、土壤、礦藏等是人類生存的基本條件，只有對(duì)所研究的星球進(jìn)行實(shí)地探測(cè)，獲得詳細(xì)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，才能夠讓研究人員通過數(shù)據(jù)分析，判斷出該星球是否適合人類居住。

我們的主體思路是：“無人”太空飛船抵達(dá)降落在某個(gè)星球上之后，艙門打開，太空飛船里的探測(cè)機(jī)器人登陸星球，智能運(yùn)行設(shè)定的各項(xiàng)功能，對(duì)這個(gè)星球的引力重力、空氣成分、光照強(qiáng)度、土壤成分、礦藏種類等進(jìn)行探測(cè)工作。我們根據(jù)這個(gè)思路進(jìn)行了多次方案論證，構(gòu)思形成了相對(duì)最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，逐塊完成了功能模塊的制作和組裝，然后進(jìn)行總體合裝，再經(jīng)過多次改進(jìn)調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)了我們所期望的所有功能，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，并在世界青少年機(jī)器人奧林匹克競(jìng)賽（WRO）中國區(qū)決賽項(xiàng)目太空挑戰(zhàn)創(chuàng)意賽中獲獎(jiǎng)。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上主要分為“無人”太空飛船的機(jī)械平臺(tái)和探測(cè)機(jī)器人兩大部分。機(jī)械平臺(tái)可以展開，從里面釋放出探測(cè)機(jī)器人，平臺(tái)上設(shè)置有活動(dòng)式跳板，可以保證探測(cè)機(jī)器人釋放時(shí)不滑落下來并平穩(wěn)行駛到地面。機(jī)械平臺(tái)上也可以裝備一些探測(cè)器、傳感器，進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的測(cè)定任務(wù)。探測(cè)機(jī)器人由本體、車輪、中控系統(tǒng)、探測(cè)器、傳感器、鉆探機(jī)械手、分揀機(jī)械手等部分組成。它通過探測(cè)器、傳感器來檢測(cè)星球表面的地形地貌、重力、空氣成分、光照強(qiáng)度、紫外線強(qiáng)度、溫度、濕度等指標(biāo)數(shù)據(jù)；通過鉆探機(jī)械手的鉆頭和鏟子進(jìn)行巖石、土壤樣本采集；通過帶有光譜分析和顏色識(shí)別功能的探測(cè)器和傳感器進(jìn)行巖石、土壤樣本的分類識(shí)別，確定撿拾目標(biāo)物；通過分揀機(jī)械手進(jìn)行樣本的撿拾、裝車。探測(cè)機(jī)器人在完成這些工作的同時(shí)，同步將照片、視頻、數(shù)據(jù)等信息反饋回地球的地面指揮中心，以便研究人員進(jìn)行地面指揮和開展相關(guān)研究工作[1]。完成所有預(yù)定任務(wù)后探測(cè)機(jī)器人向太空飛船的機(jī)器臺(tái)發(fā)出交互指令，開動(dòng)返回太空飛船的機(jī)械平臺(tái)，太空飛船返航回到地球[2]。

圖1 機(jī)械平臺(tái)和太空探索機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

圖2 探測(cè)器和感應(yīng)器（機(jī)器人展開后）

中控系統(tǒng)包括EV3主程序塊，6個(gè)NXT副程序塊，紅外線傳感器和空氣成分傳感器用一個(gè)Adrino單片機(jī)進(jìn)行控制。主機(jī)和單片機(jī)之間用R2C傳輸通道進(jìn)行通訊傳輸，R2C的帶寬較寬，可以快捷地實(shí)時(shí)傳遞信息。探測(cè)機(jī)器人下設(shè)置重力傳感器，通過這些重力傳感器可檢測(cè)計(jì)算當(dāng)?shù)氐闹亓3]。

圖3 中控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

我們這個(gè)太空探測(cè)機(jī)器人的創(chuàng)新點(diǎn)是：通過探測(cè)機(jī)器人把所有探測(cè)研究裝備整合在一起，可以全方位地探測(cè)星球。每個(gè)任務(wù)是一個(gè)程序模塊，通過主程序塊把所有模塊所反饋的信息進(jìn)行整合并做出分析和判斷，主控系統(tǒng)通過多個(gè)程序模塊采集到的信息，對(duì)整個(gè)探測(cè)任務(wù)進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計(jì)和規(guī)劃，相當(dāng)于一條大船上載有很多船員，大家各司其職，主程序塊像船長(zhǎng)一樣負(fù)責(zé)指揮調(diào)度，經(jīng)過各級(jí)控制中樞分級(jí)調(diào)節(jié)之后，這個(gè)機(jī)器人就可以有條不紊地進(jìn)行各項(xiàng)探測(cè)活動(dòng)。

改進(jìn)設(shè)想：①在機(jī)械平臺(tái)上搭載一些簡(jiǎn)易的化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，使其具備簡(jiǎn)單的成分分析能力。②對(duì)可移動(dòng)探測(cè)器的減震設(shè)施進(jìn)行改善，并且改進(jìn)其底盤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)探測(cè)器對(duì)各種地形的適應(yīng)能力。③在機(jī)械平臺(tái)上搭載具有感光能力的太陽能電池板，使機(jī)械平臺(tái)在展開之后能夠快速補(bǔ)充能源，在機(jī)械平臺(tái)與機(jī)器人之間建立觸點(diǎn)式接口連接，在它返回機(jī)械平臺(tái)時(shí)檢測(cè)器可以快速地向控制中樞傳輸探測(cè)記錄，并且快速補(bǔ)充能源，以便增多作業(yè)頻率，提高工作效率。

[1]孫冶.移動(dòng)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2009.

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

[3]董仁威.少年科學(xué)院書庫--機(jī)器人世界[M].合肥：安徽教育出版社，2014.