火星攀爬机器人Lemur

2023-02-14

 

        众所周知,火星的地质环境演变与地球有很大差异,早期火星表面可能存在大量液态水并较为宜居,发育了众多古老的河湖相沉积;但随后,火星环境开始恶化,逐渐演化为现今干冷、强氧化和强辐射的极端表面环境;因此,探究火星早期河湖相沉积在现代风化环境下保存生命信号的潜力以及火壤深部是否可能存在生命迹象等科学问题,对于火星生命信号探测与研究具有重要意义;但是,火星表面地形地貌呈北低南高的不对称结构,北半球是占面积30%的低洼平原,南半球是遍布陨石坑的高地,而且,火星地貌比月球复杂,包括密布的撞击坑、陨击盆地;另外,据了解国外火星探测数据表明,火星表面大于0.2-0.5米石块的覆盖率为1%,约为月球表面石块覆盖率的两倍;因此,火星上这些遍布陨石坑的高地对火星着陆与巡视探测器着陆点的选择以及攀爬能力都是前所未有的挑战。

 

 

 

        对此,火星着陆与巡视探测器如果只配备轮胎在火星遍布陨石坑的高地上行驶,显然将会“寸步难行”,毕竟火星的地貌并不是一望无际的广阔大平原,而是遍布陨石坑的高地;因此,当火星着陆与巡视探测器面对陨石坑的高地,则需要有很强的攀爬能力,其中攀爬机器人就是一种很好的设计研发的方向,所以针对这个陨石坑高地的火星地貌问题,美国NASA花了数年的时间研制出了一款可以在各种极限条件下进行攀爬运动探索的攀爬机器人,这款机器人是一种名为远足机械实用的四足机器人,简称叫Lemur,Lemur是一款可以在悬崖峭壁当中探寻生命的机器设备,不仅能够沿着悬崖峭壁进行攀爬,同时还能够利用安装在Lemur身上的内部知识系统,从而探测出隐藏在岩石深处的生命,给科学家和研究人员提供有用的数据信息,从而促进人们对火星的探索和认知。

 

        

 

        攀爬机器人Lemur的设计初衷,一开始就是为了研究火星和探索火星而研发的,最初是Lemur被工业设计师设定为国际空间站的修理机器人,但是在实际的设计研发过程中,研究人员试验中很快就发现Lemur的机械爪子更加适合攀爬悬崖峭壁,很适合火星上遍布陨石坑的高地地貌;就例如美国NASA以前的好奇号探测器,之所以在火星上没有取得更大的突破,就是因为好奇号探测器只能在平坦的地上运动和探索,但是遇到比较高的丘陵或者洼地就不能自由的运动和探索了,好奇号探测器的运动和探索受限于火星的陨石坑的高地地貌,所以一遇到陨石坑的高地只有原路返回,不能继续探索更多的未知领域和收集更多的数据信息;而如今新设计研发的攀爬机器人Lemur绝对是“攀爬能手”任何悬崖峭壁都不能阻挡Lemur的运动和探索。

 

 

 

        攀爬机器人Lemur的攀爬能力完全归功于工业设计师为其设计研发的4只机械爪子,Lemur的身体部分在外观设计上很小,其尤为突出的就是这4只巨大的机械爪子,而且最引人注目的就是Lemur的每只机械爪子上都安装有16 个小机械爪子,每只小机械爪子上设计有数百个小鱼钩,这就更能使Lemur能够像壁虎一样牢固的抓住岩壁,即使是在倾斜度为九十度的岩石上,Lemur也能够像如履平地一样轻松运动和探索,毫不费劲;同时,Lemur还配备了人工智能系统,这可以让Lemur选择规划合适的运动路线,绕过一些路线上的障碍物或者避开那些特别滑的岩石;除此之外,Lemur还能利用整套的科学仪器对物体表面进行扫描搜索,并且根据电脑指示来采取科学家觉得有用的化石样本资料并保存上传到数据库中。

 

 

 

        最后,攀爬机器人作为特种机器人的重要分支,除了在宇宙和外星探索和研究之外,在地球上也可以在反恐、救援、首脑保卫、特种侦察等有关公共和国家安全领域以及在狭小空间检测、城市市容服务等行业进行应用;虽然,目前针对能够在不同粗糙度壁面甚至是天花板爬行的机器人的设计研究成果已有不少,但是距离真正实用还有较长的一段路要走,其中关键就在于大多数攀爬机器人仅能完成单一壁面的爬壁功能,无法像自然界诸多爬壁生物一样可以同时在粗糙与光滑表面爬行,更无法如同壁虎等生物一样在壁面上弯曲爬行,以上这些都制约着攀爬机器人技术的进一步发展和实际应用前景,成为了攀爬机器人领域亟待突破的技术问题;具有代表性的攀爬机器人Lemur,虽然可以在一定程度上实现不同壁面爬行功能,但也存在Lemur没有腰部关节,难以实现壁面小半径转弯功能,以及Lemur整体结构与控制相对复杂,制作工艺较难,不易于实现,造价昂贵的现实问题。

 

 

 

 


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