“洞察”號沒有輪子……誰來助它工作“一臂之力”？

　　語宙

　　“火星，這次我要打開你的‘心’”

　　27日凌晨，“洞察”號無人着陸探測器成功登陸火星。在展開兩個UltraFlex太陽能電池陣之後，它的火星“探心”工作就開始了。

　　“洞察”號是NASA向火星發射的一顆火星地球物理探測器，整個任務總預算8.3億美元。它的平臺設計繼承了2007年發射的“鳳凰”號探測器，甚至着陸器就是“鳳凰”號着陸器的備份，因此成本上將比它的前輩們降低不少。

　　“鳳凰”號

　　由於沒有車輪，“洞察”號將不會四處巡視，而是在火星表面落地點安營紮寨，安裝火震儀，並使用熱流偵測器的鑽頭在火星上號鑽出迄今最深的孔洞（5米左右），進行火星內部的熱狀態考察。

　　由法國和德國聯合研製的挖掘設備，是“洞察”號上最關鍵的部件之一，將承擔抓取、安放載荷的重要任務。這款機械臂基礎設計來源於“火星勘測者2001計劃”着陸器遺留下來的、從未發射過的機器手臂，與鳳凰號很相似，進行了改造和翻新。

　　這款機械臂總長度爲7.8英尺即2.4米，共有4個自由度——肩部2個自由度，肘部1個自由度，腕部1個自由度。驅動方式爲直流有刷電機驅動，減速機構爲行星減速器和諧波減速器兩級減速。機械臂本身不攜帶鑽頭。

　　空間中的物體共有6個自由度，採用冗餘自由度（>=7）的機械臂可以任意規劃運動路徑，甚至末端不動仍可以改變整體構型；但採用4自由度的機械臂抓取並移動，需要嚴格控制機械臂的運動路徑和運動構型，避免發生自體干涉或者自鎖，因爲對於預定末端軌跡的路徑有且僅有一條。精密儀器對於抓取點和放置點的精度要求較高，並且探測器本體也並非規則多面體，容易發生接觸碰撞造成科學載荷受到損傷，因此機械臂的運動路徑需要精確控制。“準”上加“準”，是對機械臂唯一的要求。

　　在“洞察”號着陸幾天後，機械臂將使用末端的五指抓鬥從背板上抓取兩件研究設備，將它們提到空中，再小心翼翼地放置到火星表面。安裝在機械臂上的攝像頭和第二個更貼近地面的攝像頭，將幫助“洞察”號的科學家、工程師們瞭解着陸器周邊的環境，規劃如何部署它攜帶的研究設備。

　　和在商場抓娃娃一樣，“洞察”號抓取的動作也是需要練習的。據“洞察”號的工程師說，針對輕質材料爲主的機械臂臂杆，抓取過程用了數週時間來準備和實施，以降低運動產生的振動、提高運動精度。鑑於此前的火星探測器採用的是減壓將土壤吸進儀器的鑽探方式，如果“洞察”號可以成功抓取物體的話，將是第一次人類使用機械臂在另一顆行星上開展抓取作業！

　　美國在對火星的探測計劃中，先後研製出“Rocky”系列、“索傑納（Sojourner）”號、火星探測車地面樣機FIDO，“勇氣”號、“機遇”號，“好奇”號和“洞察”號等“火星訪客”，2017年還提出最新一代探測車概念“Mars 2020”。這些探測器不論在技術還是實際工作中，都是一騎絕塵的存在。

　　中國、日本、歐空局、印度等國家或組織也在進行星球探測機器人的研製。事實上，在行星探測機器人領域，着陸探測器還是大多需要搭載機械臂來完成採樣、抓取、鑽探等任務，美國目前的火星探測器都配備了機械臂結構。隨着計算機與大規模集成電路、新材料的發展，探測機械臂也在向結構緊湊化（可摺疊、封裝後剛度高）、質量輕量化（小於10千克）、控制智能化（自主規劃任務）方向發展。

　　（機遇號）

　　（好奇號）

　　（玉兔號）

　　不同任務的機械臂自由度不盡相同，一般包含2-7個自由度。勇氣號和機遇號都具有5個自由度，臂展達到1米，重量4.2千克，機械臂的末端攜帶穆斯堡爾譜儀、α粒子X射線譜儀、磁體、顯微成像儀、岩石研磨工具等儀器，好奇號同樣具有5個自由度；鳳凰號機械臂則有4個自由度，臂展2.35米，機械臂末端安裝了鏟、顯微鏡分析儀、電化學分析儀、傳導性分析儀、表面立體成像儀及機械臂相機；我國的玉兔號機械臂具有3個自由度，臂展0.55米，重量爲3.5千克。

　　着陸探測器的機械臂結構很大程度取決於需要實現的功能和行星表面環境，並不是功能越多、結構越複雜越好。畢竟，減重是航天領域永恆的話題，每一克的載荷都需要用到刀刃上，“夠用”就足夠了。截至目前，着陸探測器機械臂的研究和設計仍是國內外深空探測領域研究和應用的熱點。

　　整體來看，未來機械臂的發展趨勢將會有以下趨勢：

　　1).自由度取決於探測任務和實際功能，以3-5個自由度的機械臂居多；

　　2).機械臂需要具備摺疊、展開、挖掘、傳輸等功能，能精確定位；

　　3).適應空間環境，輕質化、低功耗、多功能；

　　4).工作空間最優化，機械臂-探測器協調作業能力最大。