Robot---SPLITTER行星探測機器人

1 背景

? ? ? ? 先給各位讀者朋友普及一個航天小知識，截止到目前為止，登陸火星的火星車有哪些？結果比較令人吃驚：當前只有美國和中國登陸過火星。

“勇氣”號（Spirit）：2004年1月4日，美國國家航空航天局（NASA）的“勇氣”號火星車成功登陸火星。它在火星表面行駛了約6年，主要任務是尋找火星上是否存在水的證據。
“機遇”號（Opportunity）：2004年1月25日，NASA的“機遇”號火星車成功登陸火星。它在火星表面行駛了約14年，發現了火星上曾經存在液態水的證據。
“好奇”號（Curiosity）：2012年8月6日，NASA的“好奇”號火星車成功登陸火星。它攜帶了10套科學探測儀器，主要任務是探索火星過去或現在是否存在適宜生命存在的環境。“好奇”號使用放射性同位素熱發電機（RTG）提供電能，能夠在火星表面持續工作。
“機智”號（Ingenuity）：2021年2月18日，NASA的“機智”號火星直升機隨“毅力”號火星車一起成功登陸火星。“機智”號是首個在火星上成功飛行的航空器，主要任務是驗證在火星稀薄大氣中飛行的可行性。
“毅力”號（Perseverance）：2021年2月19日，NASA的“毅力”號火星車成功登陸火星。它攜帶了多種科學儀器，主要任務是尋找古代生命的跡象，并收集樣本以備未來帶回地球分析。
“祝融”號（Zhurong）：2021年5月14日，中國國家航天局（CNSA）的“祝融”號火星車成功登陸火星。它是中國首個火星探測器，主要任務是探測火星表面地質、地貌、氣候等信息。

? ? ? ? 人類探索宇宙的好奇心不會變化，一批又一批的“探險者”們出發，前往人類暫時無法踏足的星球。最近，偶然看到一種特殊的火星探測機器人，分享給大家。

2 火星機器人

????????傳統探測器如火星車，雖然功能強大，但體積龐大、重量沉重，移動緩慢，這大大限制了它們的探測范圍和效率。例如，NASA的“好奇號”火星車重達900公斤，日均移動距離僅百米級；無人機則依賴大氣飛行，無法在低重力環境（如月球、小行星）上使用，且能耗高、續航短；跳躍式機器人機動性好，但飛行階段姿態穩定性差。

????????在探索太空和行星表面的過程中，機器人技術一直是人類的重要工具。然而，傳統的機器人系統往往受限于其固定的結構和功能，難以應對復雜多變的環境和任務需求。為了解決這一問題，SPLITTER（Space and Planetary Limbed Intelligent Tether Technology Exploration Robot）?應運而生。SPLITTER 是一種創新的模塊化機器人系統，旨在通過其靈活的設計和智能的協作能力，徹底改變太空和行星探索的方式。

2.1?核心設計理念

????????SPLITTER 的設計理念基于模塊化和智能協作。其核心思想是將機器人系統分解為多個獨立的模塊，每個模塊具備特定的功能（如移動、感知、操作等），并通過智能算法實現模塊之間的動態組合與協作。這種設計不僅提高了系統的靈活性，還增強了其在復雜環境中的適應能力。

（1）模塊化設計

獨立模塊：SPLITTER 由多個功能模塊組成，包括移動模塊、感知模塊、操作模塊和能源模塊等。每個模塊可以獨立運行，也可以與其他模塊組合。
動態重組：模塊之間通過標準化的接口連接，能夠根據任務需求快速重組。例如，在平坦地形中，機器人可以配置為輪式移動；在崎嶇地形中，可以切換為足式移動。

（2）智能協作

分布式控制：每個模塊都配備獨立的計算單元，能夠自主決策并與其它模塊協同工作。
任務分配：通過智能算法，系統能夠根據任務需求動態分配模塊的功能。例如，在采集樣本時，感知模塊負責環境掃描，操作模塊負責樣本采集。

（3）關鍵技術與工作原理

慣性變形機制：基于賈尼別科夫效應（網球拍效應），利用兩個機器人的協同運動調節系統慣性矩，取代傳統的飛輪或推進器，實現輕量化、高能效的穩定控制。
跳躍儲能機制：通過旋轉儲能實現連續跳躍，每次跳躍都能積累能量加速，大大提升了移動效率。
模型預測控制器（MPC）：結合 MPC 實時優化飛行姿態，以最小能量消耗實現姿態穩定，確保俯仰角、偏航角等收斂至目標值。

2.2 創新技術

????????SPLITTER 的成功離不開多項創新技術的支持，這些技術使其在太空和行星探索中表現出色。繩索兩端綁定一個火星機器人，通過依次跳躍完成移動。

（1）智能繩索技術（Tether Technology）

多功能繩索：SPLITTER 配備了智能繩索，不僅可以用于模塊之間的連接，還可以作為能源和數據傳輸的通道。
動態調整：繩索的長度和張力可以根據任務需求動態調整，例如在攀爬陡峭地形時，繩索可以提供額外的支撐。

（2）自適應移動系統

多模式移動：SPLITTER 的移動模塊支持多種移動模式，包括輪式、足式和履帶式，能夠適應不同的地形條件。
自主導航：通過先進的感知和導航算法，機器人能夠在未知環境中自主規劃路徑并避開障礙。

（3）模塊化能源系統

分布式能源：每個模塊都配備獨立的能源單元，確保系統在部分模塊失效時仍能正常運行。
能源共享：模塊之間可以通過智能繩索共享能源，提高系統的整體續航能力。

2.3?應用場景

????????SPLITTER 的設計使其在多種探索任務中表現出色，以下是其主要應用場景：

（1）行星表面探索

地形適應：SPLITTER 的多模式移動系統使其能夠在行星表面的復雜地形中自由移動，例如火星的巖石地帶或月球的隕石坑。
樣本采集：通過模塊化的操作單元，機器人可以高效地采集和分析行星表面的樣本。

（2）太空站維護

模塊化維修：SPLITTER 可以配置為專門的維修機器人，用于太空站的外部維護和修復任務。
協作作業：多個 SPLITTER 機器人可以協同完成復雜的維修任務，例如更換太陽能電池板或修復通信設備。

（3）深空探測

自主探索：在深空探測任務中，SPLITTER 可以自主執行探索任務，例如在小行星表面采集樣本或搭建臨時基地。
能源管理：通過模塊化能源系統，機器人能夠在長時間任務中高效管理能源。

2.4?優勢

????????與傳統機器人系統相比，SPLITTER 具有以下顯著優勢：

（1）高靈活性

模塊化設計使 SPLITTER 能夠根據任務需求快速調整功能和結構，適應不同的環境和任務。

（2）強魯棒性

分布式控制和能源系統確保機器人在部分模塊失效時仍能正常運行，提高了系統的可靠性。

（3）低成本維護

模塊化設計使得維護和升級更加便捷，只需更換或升級特定模塊，而無需更換整個系統。

（4）高效協作

多個 SPLITTER 機器人可以通過智能算法實現高效協作，完成復雜的探索任務。

2.5?未來展望

????????SPLITTER 的成功為未來的太空和行星探索提供了新的可能性。隨著技術的進一步發展，SPLITTER 可能會在以下方面取得突破：

（1）人工智能增強

通過引入更先進的人工智能算法，SPLITTER 可以實現更高效的自主決策和任務規劃。

（2）多機器人協作

未來的 SPLITTER 系統可能會支持更大規模的多機器人協作，例如在火星表面建立臨時基地或執行大規模探測任務。

（3）商業化應用

SPLITTER 的技術不僅適用于太空探索，還可以應用于地球上的極端環境，例如深海探測或核電站維護。

3 總結

? ? ? ? 新穎的機器人設計還是比較吸引人的，SPLITTER 是一種革命性的模塊化機器人系統，通過其創新的設計和智能的協作能力，為太空和行星探索提供了全新的解決方案。其模塊化設計、智能繩索技術和自適應移動系統使其在復雜環境中表現出色，為未來的探索任務奠定了堅實的基礎。隨著技術的不斷進步，SPLITTER 有望成為人類探索宇宙的重要工具，開啟太空探索的新篇章。