實現(xiàn)超越:“混沌”超機動無人平臺

　　對于地面無人平臺，我們通常所見的無非是履帶式車輛或輪式車輛，這種行進方式的車輛具有結(jié)構(gòu)簡單的特點，但對復雜地形的適應能力較低。還有一種處于試驗階段的行進方式，即利用多關節(jié)機械腿交替擺動行進，其對復雜地形的適應能力較強，但結(jié)構(gòu)復雜。那么，能否將這幾種驅(qū)動方式結(jié)合在一起，取其優(yōu)長?“混沌”超機動無人平臺就是這一奇思妙想的產(chǎn)物——
　　
　　目前，全球無人作戰(zhàn)平臺研究已進入爆炸性增長階段。就層出不窮的地面無人平臺來說，盡管其大小、功能各異，但行進方式卻幾乎全部采用輪式或履帶式。這兩種行進方式從根本上看，不外乎利用圓形輪的滾動(履帶的轉(zhuǎn)動亦依賴主動輪的滾動)，實現(xiàn)對車體的推動。
　　驅(qū)動無人平臺的另一種思路，是讓無人平臺像人或動物一樣，利用多關節(jié)機械腿交替擺動的方式行進。兩種思路的行進方式各有利弊，采用輪式或履帶式結(jié)構(gòu)簡單，行進效率高，易提高速度，但對復雜地形的適應能力較低，交替擺動式則正好相反，結(jié)構(gòu)復雜、速度低，但適應能力強。也正是由于這種方式結(jié)構(gòu)復雜，至今仍只停留在試驗階段，距離大規(guī)模成熟應用有較大差距。不過，結(jié)合這兩種行進方式的優(yōu)點，實現(xiàn)真正“混合”型超機動性能的無人平臺，現(xiàn)在也有不少機構(gòu)正在著手開發(fā)。
　　其中，一家名為“自主方案”(Autonomous Solutions)的美國公司，已開發(fā)出代號“混沌”的超機動智能平臺。正如其代號所暗示的那樣，它以獨特的技術途徑融合了輪式和機械腿兩種行進方式，為未來地面無人平臺的設計拓寬了思路。
　　
　　“混沌”項目的起源
　　
　　現(xiàn)在的“混沌”無人平臺已接近最終應用的形態(tài)，其車身兩側(cè)獨立驅(qū)動的四根條狀履帶腿顯示出優(yōu)異的通行能力，可用于各種復雜地形環(huán)境下的偵察、監(jiān)視和搜索任務，具有廣泛的軍事、民用價值。
　　不過，這一項目最初卻并非由軍方研究機構(gòu)啟動，而是由民間富有創(chuàng)新精神的小企業(yè)獨自完成，后來才獲得美國陸軍坦克機動車輛研究與發(fā)展中心(TARDEC)的資金支持，為今天的成功打下了堅實的基礎。
　　“混沌”的創(chuàng)意最早由“自主方案”公司時任項目經(jīng)理的梅爾.托瑞(現(xiàn)為該公司CEO)提出，當時他希望設計一種融合車輪、履帶和機械腿優(yōu)點的車輛行進方式，既有輪式驅(qū)動的速度和效率，又有機械腿應對復雜地形的適應能力。
　　由于資金匱乏，托瑞最初只用各種玩具和民用車輛的零件試制了第一輛樣車，但托瑞對這輛幾乎僅由兩條履帶構(gòu)成的車輛不太滿意，很快又用樂高(Lego)拼裝玩具組裝了一輛完全概念化的模型。同第一輛車相比，它已初具“混沌”雛形，車體雖然平常無奇，但驅(qū)動部分的設計卻非常有想像力，其四組車輪并未直接固定在輪軸上，而是分別通過兩只車輪之間的固定梁連接在輪軸上，這樣便使四組車輪都具有較高的自由度。
　　托瑞的這一創(chuàng)意很快得到了同事們的認可，陸續(xù)又有其他設計師加入了設計團隊。他們將Lego玩具拼裝成的模型帶到當?shù)芈?lián)邦執(zhí)法機構(gòu)，征詢未來可能成為用戶的軍方和警方的意見。之后，又用泡沫制成一個更具體的模型，并在當?shù)鼐降闹笇吕^續(xù)完善設計。
　　在大致確定了車體的尺寸和結(jié)構(gòu)后，托瑞的團隊開始嘗試用專業(yè)車輛設計軟件來檢驗設計的可行性。經(jīng)充分模擬，托瑞的設計被證明極具可行性，車體在具有較高行進速度的同時，還具有較強的對復雜地形的適應能力。
　　2000年春，經(jīng)驗證后的構(gòu)想終于進入實體試制階段，第一輛樣車在三周內(nèi)被制造出來，并被正式命名為“混沌”。當年6月，托瑞帶著“混沌”參加了在科羅拉多州丹佛舉辦的2000年度美國司法部科學技術辦公室(NIJ/OST)技術展會。無論從哪方面看，“混沌”都令人印象深刻。“混沌”的初次亮相雖然贏得不少喝彩，但仍未引起潛在用戶的足夠注意，在之后的兩年里，托瑞帶著“混沌”樣車輾轉(zhuǎn)于多家防務研究機構(gòu)和大型防務企業(yè)，向他們推銷“混沌”的不凡之處，但卻鮮有投資者注意到它的潛在軍用價值。
　　最終，“混沌”的先進設計理念引起了TARDEC的注意，當時，其正在啟動一個名為SBIR的小型車輛機動性驗證項目，“混沌”樣車的適時出現(xiàn)正好滿足了TARDEC的要求，遂通過SBIR項目向“混沌”項目注資，以開發(fā)出更具實用性的產(chǎn)品。
　　
　　艱難蛻變，融合履帶的機械腿
　　
　　將一款概念樣車變成具有實用價值的超機動車輛，還有大量工作要做。獲得投資后，托瑞的團隊于2003年開始重新設計“混沌”樣車，以便使最初的設想達到可供生產(chǎn)的實用階段。為了達成樣車超機動性的性能要求，設計團隊制作了多個樣車，這些樣車采用不同的驅(qū)動行進方式，同時定型了底盤、動力、傳感器、控制和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)等要素。
　　
　　融合履帶的機械腿
　　設計中最大的挑戰(zhàn)當然就是車體的驅(qū)動行進方式。傳統(tǒng)上，大中型車輛采用輪式或履帶式驅(qū)動方式，但將這類驅(qū)動裝置等比例縮小應用于小型無人車輛時，其通行效率將顯著降低。原本對大中型車輛不構(gòu)成障礙的地面溝壑、坡路等復雜地形，對于小型無人車輛而言，則成為無法逾越的難關。因此，有人提出，小型無人車輛在應對這些障礙時，最佳驅(qū)動配置方式應是利用多關節(jié)機械臂或機械腿，模仿人或動物的行進方式，但如何提高這種方式在平地上行駛時的行進效率，則成為設計中的難題。
　　基于這些原因，TARDEC和托瑞在重新設計“混沌”的驅(qū)動模式時，保留了原先模型中讓車輪具有較大自由度的思路，且為其搭配不同的驅(qū)動模式，如機械腿的步行機制、車輪或履帶的滾動機制、機械腿和車輪混合搭配的模式等。最終，“混沌”選用了一種具有機械腿特點的長條狀履帶，作為其實現(xiàn)超機動性的主要驅(qū)動行進模式。這種結(jié)構(gòu)和托瑞的最初構(gòu)思非常相似，兩者的區(qū)別在于最初構(gòu)思的方案中，兩只車輪為一組，共四組驅(qū)動肢，由其中心位置與輪軸連接；而最終方案則將四組雙輪組成的驅(qū)動肢變?yōu)樗臈l長條履帶腿，履帶腿的一端與車體相連，同時履帶腿還可全向轉(zhuǎn)動，依靠四條履帶腿不同的轉(zhuǎn)動角度，實現(xiàn)超強機動。
　　這樣的配置方式極具想像力，較好地結(jié)合了履帶和機械腿的優(yōu)點。當在平地行駛時，履帶腿放平，像平常的四履帶車輛一樣具有較好的行駛效率；當遇到履帶無法克服的障礙時，則調(diào)整履帶腿的高度與轉(zhuǎn)動角度，以實現(xiàn)四條履帶腿行走時的不同步態(tài)。此外，由于四條履帶腿采用獨立直流供電系統(tǒng)，可實現(xiàn)同向差速、異向同速或差速等不同轉(zhuǎn)動，配合履帶腿不同的配置角度和方向，可實現(xiàn)對不同類型障礙的穿越。比如，當在大角度陡坡上行駛時，由于小型車輛的自身質(zhì)量較輕，極易傾覆或打滑，而結(jié)合了機械腿和履帶行進特點的“混沌”在面對這類障礙時則能大顯身手，它可將內(nèi)側(cè)履帶腿放平緊貼陡坡高處，另一側(cè)轉(zhuǎn)動至垂直位置搭在陡坡低處，通過調(diào)節(jié)上下兩邊履帶轉(zhuǎn)動角度，實現(xiàn)穩(wěn)步前進。在遇到崎嶇的復雜地形時，“混沌”的四條履帶腿還可以被動的方式適應不同起伏的地形，即各履帶腿根據(jù)地形條件隨時變化，以使所有履帶腿都與地面保持最大接觸面積。
　　
　　車體及動力設計
　　在重新設計“混沌”時，其剛性車體也是設計的重點，最關鍵之處在于與四條機械腿連接的機械關節(jié)。每副機械關節(jié)有兩套連接機構(gòu)與履帶腿相連，其中一套直接與驅(qū)動馬達連接用于傳遞其輸出的動力，但無法調(diào)節(jié)履帶腿與車體的角度；另一套則正好相反，可調(diào)節(jié)履帶腿的角度位置，但無動力輸出。車輛在復雜地面行進時，通過各個機械關節(jié)與兩套連接機構(gòu)的配合，實現(xiàn)對機械腿的靈活控制。
　　車體的動力部分原先采用內(nèi)置式鋰電池，更換電池時需要拆開車體。為提高車輛的使用時間、簡化維護，開發(fā)團隊在車體上重新設計了動力艙，將內(nèi)置式電池改為外置拔插式，同時還可根據(jù)任務需要添加額外的電池組以延長使用時間。
　　至于負載部分，“混沌”可搭載約10kg的各類設施，其最常見的負載是一支可全向旋轉(zhuǎn)的可見光／紅外視頻攝像頭，該攝像頭具有10倍光學變焦和4倍數(shù)字變焦能力，是操作者遙控車體和監(jiān)視、偵察環(huán)境情況的主要設備。而未來，開發(fā)團隊也準備研制合適的機械臂，以使其能夠在復雜環(huán)境下執(zhí)行危險任務，比如IED裝置拆除、掃雷和探測危險物質(zhì)等。目前，加裝機械臂的“混沌”樣車正進入試驗階段。
　　
　　“混沌”整體性能
　　在經(jīng)過長達數(shù)年的不斷改進完善后，“混沌”終于完成了由最初模型到成品的蛻變。“混沌”生產(chǎn)型的車體高20cm(履帶腿放平)／52cm(履帶腿垂直)，車寬68.5cm，車長136cm(履帶腿向前向后伸展)／71cm(履帶腿全部向內(nèi)收攏)，整車質(zhì)量約55kg，搭載的所有設備均防水防塵，適宜在各類復雜環(huán)境下使用。車載一塊56V的鋰離子電池組，還可再附加一塊，使其使用時間最長延長到4小時(其履帶行進模式的能量效率仍遠低于輪式模式，但遠高于純粹利用機械腿行走的機器人)。在遙控通信方面，“混沌”采用商用無線網(wǎng)絡構(gòu)架，通過傳輸速率為54Mbps的無線網(wǎng)實現(xiàn)遠達1km的遙控距離和偵察數(shù)據(jù)傳輸。在越障能力方面，“混沌”的表現(xiàn)就很突出了，它的時速可達8km／h，跟得上步兵行進的速度，可在角度達50°的陡坡上穩(wěn)定行進，可跨越寬約60cm的深溝，可翻越50°的斜坡，至于其他復雜地形，如災區(qū)的殘垣斷壁，則更不在話下。
　　
　　超機動性能的實現(xiàn)
　　
　　憑借著融合了履帶特性的機械腿，“混沌”具有超強的機動性能。下面詳細探討一下它在不同環(huán)境下的履帶腿位置配置。
　　
　　適應性步態(tài)配置
　　這種配置也就是前文提及的履帶腿被動設置，四條履帶腿只接受來自車體的動力輸出，各履帶腿隨地形變化而不斷變化。這種配置對操作者而言也是最輕松的操控模式，無需對車體各活動履帶腿做過多操縱，只需命令它前進或后退即可，特別適用于變化無規(guī)則、崎嶇不平、且起伏不太大的路面狀況；如果遇列的溝壑起伏較大，比如起伏的尺度超過履帶腿的長度，就要不斷調(diào)整、固定履帶腿與車體的位置，并通過履帶的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)行進。
　　
　　越階梯型障礙步態(tài)配置
　　室內(nèi)樓梯或矮墻是小型無人車輛常面臨的一道障礙，“混沌”在面對這類障礙時，其越障方式與PackBot機器人(見本刊2010年第5上期《PackBot：戰(zhàn)場上的百變“背包”》一文)相似。遇到障礙時，其前方兩副履帶腿如圖1所示向上翹起，搭上一級階梯沿后，利用履帶腿邊緣的卡齒掛上梯沿，在后部履帶腿的推動下爬上階梯，在爬上第一級階梯后，前方履帶腿根據(jù)下一級階梯的高度調(diào)整豎起的角度，以使履帶卡齒能掛上梯沿……以此爬上階梯。在攀越階梯型障礙時，車體后部兩副履帶腿處于被動適應狀態(tài)，其不與車體固定，而是根據(jù)已越階梯狀況搭靠在上面，利用履帶腿推動車體行進。
　　
　　“蠕蟲”步態(tài)配置
　　在遇到具有規(guī)則起伏特征的路面時，為提高動力利用效率，需用到“蠕蟲”步態(tài)，如圖2所示。這種配置下，車體前方兩副履帶腿根據(jù)路面起伏特征，不斷做旋轉(zhuǎn)動作，而后方履帶腿放平向前轉(zhuǎn)動。行進時，車體頭部不斷抬高、降低，像蠕蟲一樣向前爬行。這種環(huán)境下，車體也可不斷調(diào)整四條履帶腿步行行進，但步行需要頻繁調(diào)節(jié)履帶腿與機械關節(jié)的角度、固定狀態(tài)及動力輸出，能量運用效率較低。
　　
　　
　　純行走步態(tài)配置
　　當遇到地形復雜且起伏不規(guī)則的情況時，車體就需要采用純行走步態(tài)，如圖3所示。這種配置下，車體的四條履帶腿根據(jù)路面的起伏情況，分別采取不同的固定角度和行進速率，像動物的四條腿一樣，在起伏不定的路面上前行。在使用這種步態(tài)時，以一條履帶腿的行進過程為例，它先轉(zhuǎn)動以使履帶腿一端觸碰到地面，如果高度過高未碰到地面的話，車體其他三條履帶腿就會向前推動車體，使車體前俯探低，以使這條履帶腿找到固定點，觸碰到地面，隨后，這條履帶腿上的壓力傳感器就會發(fā)出信號使之與車體相對固定，車體在獲得穩(wěn)定的支撐點后，另一條履帶腿就會重復上述動作并找到穩(wěn)定支撐點……四條履帶腿依次如此，實現(xiàn)穩(wěn)步向前行進。這種純行走步態(tài)行進方式雖然速度較慢，但卻采用了最先進的仿生原理，能夠克服其他行進模式視若畏途的復雜地形。
　　
　　合宜的折衷方案
　　
　　地球上近一半的地面并不適于傳統(tǒng)的輪式或履帶式車輛行走，但是一般多足動物卻能在這些地方行動自如。因此，足式車輛與輪式及履帶式車輛相比具有獨特的優(yōu)勢。與其他在研的純足式作戰(zhàn)平臺相比，“混沌”可謂走出一條折衷之路。它所開創(chuàng)的融合履帶功能的足式行進方式既有履帶式車輛的高驅(qū)動效率，又具有一般足式作戰(zhàn)平臺對地形的高度適應性，同時其機械腿也未采用多關節(jié)、多自由度的復雜設計，在成本和開發(fā)難度上都較其他純足式作戰(zhàn)平臺占優(yōu)，其不失為目前一項合宜的方案設計。
　　
　　編輯　劉