NASA为新一代火星探测器设计机器人手臂

近日，NASA喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）的工程师们为Mars 2020探测器安装了一个长2.1米的机械臂，该机械臂是目前火星探测器上功能最强大的机械臂。

Mars 2020的机械臂由科研人员历时5年研发，虽然与前一代好奇号（Curiosity）探测器整体相似，但Mars 2020的科研功能更为广泛和强大。一方面，它能将机械臂探入岩石中进行采样并储存；另一方面，它机械臂末端的钻头可更换多种工具，以执行不同功能的探测。据悉，Mars 2020计划将于2020年7月发射，并在2021年2月18日登陆耶泽洛环形山（Jezero Crater）。

JPL以研发机器人而闻名，这些机器人通常在极其遥远和恶劣的环境中，进行常人难以完成工作。机遇号（Opportunity）在2004年登陆火星时，需要执行长达90天的任务。但火星上尘土飞扬和温度剧烈波动的环境对机器人来说很不友好，即使是机器人最基本的维护或修理都是不可能完成的任务。

然而，机遇号却在火星上保持运行了5498天，其孪生兄弟勇气号（Spirit ）运行了2269天。Mars 2020的总体设计与火星科学实验室（MSL）的好奇号探测器相似。好奇号自2012年8月以来，一直在探索火星上的盖尔陨石坑（Gale Crater）。然而，Mars 2020的新机械臂已经被研究人员重新设计，将能够进行比好奇号更复杂的科学研究。例如，它能够钻进岩石中收集样本，以便研究人员回收。

体型上，Mars 2020比好奇号更大一些，并比好奇号重约150公斤。但在其他方面，Mars 2020和好奇号的尺寸大致相同。此外，Mars 2020还使用了与好奇号相同的放射性同位素热电机进行供电。值得一提的是，研究人员也给Mars 2020的车轮进行了升级，升级后的铝制车轮比好奇号的车轮更耐用，磨损程度更轻。

Mars 2020登陆火星的方式也与好奇号相同，它将像从直升机上垂吊下降的突击队一样，急速地降落到火星表面。对Mars 2020来说，真正进步的地方在于它强大的科研功能。Mars 2020除了配备高度实验性自主直升机的基站之外，最有趣的新功能是它能够采集岩石和土壤的表面样本，把样本放入试管中密封，并将试管存储起来以备日后检索，或送回地球让研究人员进行分析。

Mars 2020使用机械臂末端的一个钻头进行样本采集工作，该机械臂配备了多种能够更换的钻头，还能容纳许多不同的工具。这些工具包含了一组叫SHERLOC的矿物识别传感器套件、一个X射线分光仪以及一个叫PIXL的照相机，它们均可在钻头的平台上进行切换。

从根本上说，Mars 2020的大部分科研工作，都将依赖于它所携带的机械臂和硬件，其中包括近距离地表调查和收集样本进行缓存。Mars 2020探测器的工程师之一Matt Robinson表示，Mars 2020的系统包括机械臂、机械臂末端的钻头，以及探测器主题内管理样本的样本缓存系统。

自2001年以来，Matt Robinson一直在JPL工作。他曾在凤凰号火星着陆器的设计任务中，担任机械臂飞行软件开发人员，以及机械臂测试和操作工程师。此外，他还曾在好奇号项目中担任机械臂测试和操作首席工程师。为了进一步了解Mars 2020机械臂的设计方式和特点，IEEE Spectrum特别对Matt Robinson进行了采访。

IEEE Spectrum：设计一个能够在火星上运行的探测器机械臂有什么不同？Matt Robinson：我们花了5年多的时间对机械臂进行设计、制造、组装和测试。同时，科学家们也要求该机械臂能够实现更多高级目标，其中包括采集核心样本并处理样本以备返回、随身携带科学仪器以帮助确认需取样的岩石……

作为工程师，我们需要对这些目标进行定义并给予支持。为地球外的其他星球建造机械臂时，我们需要针对环境设计一些强大的功能，并能对机器的故障做出坚固的保护。在火星上，一天中温度的变化幅度能达到100摄氏度，因此对我们来说，机械臂承受热量方面非常具有挑战性。

例如，力传感器通常不能在我们所谈论的温度范围内工作，因此，我们需要付出很多努力对探测器的力传感器进行设计和测试。IEEE Spectrum：如何决定冗余的大小？Matt Robinson：这主要由机器人的质量和体积决定，这两点通常是决定机器人冗余量的驱动因素。当我们将一定数额的质量分配给机械臂时，也会给机器人设定一个能适应该质量的体积。

另外，由于我们有着向其他星球发送机械臂的丰富经验，因此我们可以在项目开始时，就能为机械臂制定许多设计要求，让它更符合探测火星需具备要求。这也是我们决定冗余大小的一个方式。IEEE Spectrum：这种对冗余的需求是否影响了机械臂的设计？

Matt Robinson：对机械臂的设计是由几个因素影响的。一方面，我们大概知道机械臂末端的器械会有多大，所以机械臂的设计部分是由器械影响的。随着器械越大，机械臂也必须越大。另一方面，机械臂的末端有取芯钻，由于取芯需要一定的力量，因此机械臂必须足够强壮才能做到这一点。这些要求都影响了机械臂的设计。

除此之外，机械臂也必须在火星的环境中工作，因此我们也必须为机械臂设计能适应温度变化，以及热膨胀之类的功能。IEEE Spectrum：如何有效地在地球上测试Mars 2020的机械臂？Matt Robinson：这是一个好问题。它的机械臂是为了能够在地球和火星上工作而设计的，因此它足够强大。

我们有一个机械臂的刚度模型，它让我们能够补偿地球和火星在重力方面的差异。为了测试，我们制作了两个机械臂模型，包括一个将要飞往火星的飞行模型，以及一个工程模型，这两个模型实际上是彼此的复制品。其中，工程模型主要留在地球上，所以即便我们把飞行模型送往火星，我们也可以在地球上继续进行测试。

如果发生诸如钻头卡在火星表面上的意外，我们可以试着用我们的工程模型在地球上复制这些条件，并用它来测试不同的场景来克服这些问题。IEEE Spectrum：机械臂拥有多大的自主性？Matt Robinson：我们有不同的自治模式。一方面，我们有相当高级的飞行软件，例如，我们有一个只说“停靠”的命令，它可以进行所有的力量控制，移动机械臂与转盘传送带进行对接。

另一方面，在地面交互上，我们在流动站上安装了能够生成3D地形模型的立体摄像机。利用这些3D地形模型，科学家可以在地面上选择一个目标，然后我们可以将机械臂放在目标上。科学家们喜欢选择特定的样本目标，因为那里有非常特殊的岩石类型，帮助他们寻找样本。

2020年，我们将为探测车提供下一级自主驾驶能力，以便它们到达一个区域后，至少能对该区域进行初步勘测，这样科学家们就可以选择特定的目标。这样做的好处是，如果科学家们发现远处有一个感兴趣的区域，探测车就会自动开到那里，并展开机械臂拍摄所有的照片，以便我们可以生成这些区域的3D地形模型，然后科学家就能在第二天选择他们想要的特定目标。