16、小行星表面机器人的重力无关运动：动力学与基于位置的控制

小行星表面机器人的重力无关运动：动力学与基于位置的控制

1. 引言

近年来，科学界对探索太阳系中的小行星愈发感兴趣。技术的进步让人类首次能够借助深空探测机器人的传感器和仪器，近距离观察这些小天体。不过，多数太空探测任务主要聚焦于远距离对小行星表面进行勘察和成分分析。由于小行星这类小天体的重力条件极具挑战性，采用移动机器人系统在其表面移动的研究相对较少。

在小行星这样的小天体上，引力场比地球或火星弱得多，这使得机器人在移动时意外与表面碰撞的可能性大大增加。例如，日本“隼鸟号”航天器携带的小型机器人“MINERVA”，虽其内部的单个反作用轮能产生必要的惯性反作用力实现移动，但在运动阻尼消失后，机器人的位置难以预测和控制。为了使小行星表面探测任务的科学回报最大化，未来的任务需要机器人具备在崎岖地形上稳定移动和精确定位的能力。

在机器人领域，有腿运动在穿越不规则地形（如障碍物、悬崖和斜坡）方面具有明显优势。相比之下，轮式探测器只能越过高度最多为车身长度几分之一的障碍物，有些地形轮式车辆无法到达。而有腿运动能将小行星表面的反作用力降至最低，避免机器人因受力过大而达到逃逸速度并飘入太空。同时，它有助于实现应对复杂新情况的目标配置，确保机器人的行为保持稳定。

2. 小行星探索

主小行星带中的原始小行星绕太阳运行，距离在2.1至3.2天文单位（AU）之间，它们是研究早期行星系统起源和演化的关键对象。小行星能为我们的行星系统的诞生和成长提供线索，但如果没有实地观测，我们就无法将小行星物质的测量结果与地球上的陨石群目录相对应。对小行星进行实地研究有助于绘制主小行星带，通过光谱分类绘制该带并了解陨石在地球上的着陆区域，能为我们太阳系的起源和演化提供关键线索，甚至涉及地球