NASA為新一代火星探測器設(shè)計機器人手臂

近日，NASA噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）的工程師們?yōu)镸ars 2020探測器安裝了一個長2.1米的機械臂，該機械臂是目前火星探測器上功能最強大的機械臂。

Mars 2020的機械臂由科研人員歷時5年研發(fā)，雖然與前一代好奇號（Curiosity）探測器整體相似，但Mars 2020的科研功能更為廣泛和強大。一方面，它能將機械臂探入巖石中進行采樣并儲存；另一方面，它機械臂末端的鉆頭可更換多種工具，以執(zhí)行不同功能的探測。據(jù)悉，Mars 2020計劃將于2020年7月發(fā)射，并在2021年2月18日登陸耶澤洛環(huán)形山（Jezero Crater）。

JPL以研發(fā)機器人而聞名，這些機器人通常在極其遙遠和惡劣的環(huán)境中，進行常人難以完成工作。機遇號（Opportunity）在2004年登陸火星時，需要執(zhí)行長達90天的任務。但火星上塵土飛揚和溫度劇烈波動的環(huán)境對機器人來說很不友好，即使是機器人最基本的維護或修理都是不可能完成的任務。

然而，機遇號卻在火星上保持運行了5498天，其孿生兄弟勇氣號（Spirit ）運行了2269天。Mars 2020的總體設(shè)計與火星科學實驗室（MSL）的好奇號探測器相似。好奇號自2012年8月以來，一直在探索火星上的蓋爾隕石坑（Gale Crater）。然而，Mars 2020的新機械臂已經(jīng)被研究人員重新設(shè)計，將能夠進行比好奇號更復雜的科學研究。例如，它能夠鉆進巖石中收集樣本，以便研究人員回收。

體型上，Mars 2020比好奇號更大一些，并比好奇號重約150公斤。但在其他方面，Mars 2020和好奇號的尺寸大致相同。此外，Mars 2020還使用了與好奇號相同的放射性同位素熱電機進行供電。值得一提的是，研究人員也給Mars 2020的車輪進行了升級，升級后的鋁制車輪比好奇號的車輪更耐用，磨損程度更輕。

Mars 2020登陸火星的方式也與好奇號相同，它將像從直升機上垂吊下降的突擊隊一樣，急速地降落到火星表面。對Mars 2020來說，真正進步的地方在于它強大的科研功能。Mars 2020除了配備高度實驗性自主直升機的基站之外，最有趣的新功能是它能夠采集巖石和土壤的表面樣本，把樣本放入試管中密封，并將試管存儲起來以備日后檢索，或送回地球讓研究人員進行分析。

Mars 2020使用機械臂末端的一個鉆頭進行樣本采集工作，該機械臂配備了多種能夠更換的鉆頭，還能容納許多不同的工具。這些工具包含了一組叫SHERLOC的礦物識別傳感器套件、一個X射線分光儀以及一個叫PIXL的照相機，它們均可在鉆頭的平臺上進行切換。

從根本上說，Mars 2020的大部分科研工作，都將依賴于它所攜帶的機械臂和硬件，其中包括近距離地表調(diào)查和收集樣本進行緩存。Mars 2020探測器的工程師之一Matt Robinson表示，Mars 2020的系統(tǒng)包括機械臂、機械臂末端的鉆頭，以及探測器主題內(nèi)管理樣本的樣本緩存系統(tǒng)。

自2001年以來，Matt Robinson一直在JPL工作。他曾在鳳凰號火星著陸器的設(shè)計任務中，擔任機械臂飛行軟件開發(fā)人員，以及機械臂測試和操作工程師。此外，他還曾在好奇號項目中擔任機械臂測試和操作首席工程師。為了進一步了解Mars 2020機械臂的設(shè)計方式和特點，IEEE Spectrum特別對Matt Robinson進行了采訪。

IEEE Spectrum：設(shè)計一個能夠在火星上運行的探測器機械臂有什么不同？Matt Robinson：我們花了5年多的時間對機械臂進行設(shè)計、制造、組裝和測試。同時，科學家們也要求該機械臂能夠?qū)崿F(xiàn)更多高級目標，其中包括采集核心樣本并處理樣本以備返回、隨身攜帶科學儀器以幫助確認需取樣的巖石……

作為工程師，我們需要對這些目標進行定義并給予支持。為地球外的其他星球建造機械臂時，我們需要針對環(huán)境設(shè)計一些強大的功能，并能對機器的故障做出堅固的保護。在火星上，一天中溫度的變化幅度能達到100攝氏度，因此對我們來說，機械臂承受熱量方面非常具有挑戰(zhàn)性。

例如，力傳感器通常不能在我們所談論的溫度范圍內(nèi)工作，因此，我們需要付出很多努力對探測器的力傳感器進行設(shè)計和測試。IEEE Spectrum：如何決定冗余的大??？Matt Robinson：這主要由機器人的質(zhì)量和體積決定，這兩點通常是決定機器人冗余量的驅(qū)動因素。當我們將一定數(shù)額的質(zhì)量分配給機械臂時，也會給機器人設(shè)定一個能適應該質(zhì)量的體積。

另外，由于我們有著向其他星球發(fā)送機械臂的豐富經(jīng)驗，因此我們可以在項目開始時，就能為機械臂制定許多設(shè)計要求，讓它更符合探測火星需具備要求。這也是我們決定冗余大小的一個方式。IEEE Spectrum：這種對冗余的需求是否影響了機械臂的設(shè)計？

Matt Robinson：對機械臂的設(shè)計是由幾個因素影響的。一方面，我們大概知道機械臂末端的器械會有多大，所以機械臂的設(shè)計部分是由器械影響的。隨著器械越大，機械臂也必須越大。另一方面，機械臂的末端有取芯鉆，由于取芯需要一定的力量，因此機械臂必須足夠強壯才能做到這一點。這些要求都影響了機械臂的設(shè)計。

除此之外，機械臂也必須在火星的環(huán)境中工作，因此我們也必須為機械臂設(shè)計能適應溫度變化，以及熱膨脹之類的功能。IEEE Spectrum：如何有效地在地球上測試Mars 2020的機械臂？Matt Robinson：這是一個好問題。它的機械臂是為了能夠在地球和火星上工作而設(shè)計的，因此它足夠強大。

我們有一個機械臂的剛度模型，它讓我們能夠補償?shù)厍蚝突鹦窃谥亓Ψ矫娴牟町?。為了測試，我們制作了兩個機械臂模型，包括一個將要飛往火星的飛行模型，以及一個工程模型，這兩個模型實際上是彼此的復制品。其中，工程模型主要留在地球上，所以即便我們把飛行模型送往火星，我們也可以在地球上繼續(xù)進行測試。

如果發(fā)生諸如鉆頭卡在火星表面上的意外，我們可以試著用我們的工程模型在地球上復制這些條件，并用它來測試不同的場景來克服這些問題。IEEE Spectrum：機械臂擁有多大的自主性？Matt Robinson：我們有不同的自治模式。一方面，我們有相當高級的飛行軟件，例如，我們有一個只說“?？俊钡拿睿梢赃M行所有的力量控制，移動機械臂與轉(zhuǎn)盤傳送帶進行對接。

另一方面，在地面交互上，我們在流動站上安裝了能夠生成3D地形模型的立體攝像機。利用這些3D地形模型，科學家可以在地面上選擇一個目標，然后我們可以將機械臂放在目標上?？茖W家們喜歡選擇特定的樣本目標，因為那里有非常特殊的巖石類型，幫助他們尋找樣本。

2020年，我們將為探測車提供下一級自主駕駛能力，以便它們到達一個區(qū)域后，至少能對該區(qū)域進行初步勘測，這樣科學家們就可以選擇特定的目標。這樣做的好處是，如果科學家們發(fā)現(xiàn)遠處有一個感興趣的區(qū)域，探測車就會自動開到那里，并展開機械臂拍攝所有的照片，以便我們可以生成這些區(qū)域的3D地形模型，然后科學家就能在第二天選擇他們想要的特定目標。