有腿機(jī)器人正在走來

劉煥松+徐欣

在伊拉克和阿富汗戰(zhàn)爭的推動下，無人作戰(zhàn)系統(tǒng)得到迅猛發(fā)展，各國在無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的研制和采購上不惜大把投入資金。

當(dāng)無人機(jī)廣受關(guān)注之時，地面類似系統(tǒng)也贏得了陣陣喝彩。簡易爆炸裝置給部署在阿富汗的部隊帶來了最大威脅，這一事實使本來默默無聞的無人地面車輛走到了聚光燈下而引人矚目。這些無人地面車輛每天從事“最危險”的任務(wù)，而且在執(zhí)行任務(wù)時經(jīng)常被損壞或丟失。如今無人地面車輛已不僅僅限于爆炸物處理，其任務(wù)范圍正在擴(kuò)大，開始承擔(dān)起偵察甚至后勤任務(wù)。

但是，當(dāng)前無人地面車輛面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是其還不能跟隨士兵到任何要去的地方。盡管無人車具有一定的機(jī)動能力，但是其履帶或輪式配置限制了它們的戰(zhàn)斗使用。于是有腿機(jī)器人正在引起人們的關(guān)注。

有腿機(jī)器人有很多優(yōu)勢：非常適合崎嶇的地形，能爬臺階、能越壕溝，能完成輪式和履帶式機(jī)器人所不能完成的任務(wù)。

四足機(jī)器人：

班用步行保障系統(tǒng)

針對目前的無人車系統(tǒng)不能跟隨士兵到想去的任何地方這一現(xiàn)狀，美國海軍陸戰(zhàn)隊與美國國防高級研究計劃局合作，共同研制采用四足行進(jìn)的“班用步行保障系統(tǒng)”，英文縮寫為LS3。這一研究計劃的目標(biāo)是將機(jī)動能力與后勤能力整合在一個系統(tǒng)中，這個系統(tǒng)能夠24小時不間斷地將181kg的裝備運(yùn)送32km以上的距離，并且還能保障部隊同步行動。

班用步行保障系統(tǒng)是在波士頓動力工程公司的“大狗”四足機(jī)器人基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。2012年12月，其在弗吉尼亞皮克特堡進(jìn)行了試驗，這是與美國海軍陸戰(zhàn)隊作戰(zhàn)試驗室聯(lián)合進(jìn)行的為期兩周的試驗。該系統(tǒng)的4條腿上裝有液壓馬達(dá)，馬達(dá)上安裝了監(jiān)測關(guān)節(jié)位置和力度的傳感器，而行走動作最終由操縱這些傳感器的自帶計算機(jī)控制。該系統(tǒng)可以在疏松、光滑和不平坦地面上奔跑并保持平衡，可以爬山，并且跌倒后還能自主爬起來。

試驗期間，驗證了系統(tǒng)的5種能力：執(zhí)行語言指令、夜間行動、“傳達(dá)”命令、探測環(huán)境、智能化腳的放置。

負(fù)責(zé)該系統(tǒng)的項目軍官約瑟夫·希特指出，平臺的穩(wěn)固性和感知性是擺在系統(tǒng)面前的主要挑戰(zhàn)，這不是個容易解決的問題。

機(jī)器人系統(tǒng)，不管是有腿的還是輪式或履帶式的，要真正能在戰(zhàn)場上使用，其對所部署環(huán)境的感知能力將是有效應(yīng)用的一個關(guān)鍵因素。

“我們有了有腿的運(yùn)載工具而且它能夠記住它感覺到的地形的樣子，所以，如果再遇到同樣的地形它不必再花那么多時間去認(rèn)識了，它已經(jīng)記住了地形的特征。這是做得到的，但是難就難在地面環(huán)境可能太過復(fù)雜，比如有更多障礙物、更多可變的東西以及更多因素的相互影響，致使有腿系統(tǒng)會出現(xiàn)更多的故障類型，它們可能摔倒，載物可能掉下來，可能踢到障礙物，這些都在挑戰(zhàn)我們的工作極限。”加拿大吉爾大學(xué)計算機(jī)科學(xué)系主任格雷戈里·杜德克教授如是說。他認(rèn)為，“一個主要的挑戰(zhàn)是提供系統(tǒng)在一定距離內(nèi)的感知能力，不僅要知道機(jī)器人能否去某個地方，而且要知道能走多快。做出不同情況下的能力預(yù)測將是非常重要的”。

“非認(rèn)知機(jī)器人是愚蠢的，因為它們會一次又一次地犯同樣的錯誤，”荷蘭代爾夫特理工大學(xué)機(jī)器人技術(shù)研究所彼得·瓊克教授解釋說，認(rèn)知系統(tǒng)能學(xué)會認(rèn)知，知道對象是什么及其屬性。瓊克教授說，認(rèn)知是通過輸入和輸出之間的關(guān)聯(lián)建立起來的，可通過提高機(jī)器人計算能力和增加存儲器得以實現(xiàn)。“在過去10年或15年間我們確實沒有這么巨大的存儲能力，但現(xiàn)在我們已有G級的存儲能力，因此我們能夠?qū)⒁磺袃Υ嬖谝粋€對照表中并且運(yùn)行。顯然這與人類大腦的工作方式相似，而且范式是相同的”，瓊克教授解釋說。當(dāng)然，增加存儲器也可提高處理能力。

救災(zāi)機(jī)器人：演示功能應(yīng)用

美國國防高級研究計劃局在“機(jī)器人挑戰(zhàn)賽”中率先推出了有現(xiàn)實應(yīng)用能力的功能機(jī)器人，即救災(zāi)機(jī)器人。挑戰(zhàn)賽中，機(jī)器人演示了感知能力、機(jī)動性和通用性多方面的功能，而且機(jī)器人要面對許多與人類有關(guān)的獨特特性。

挑戰(zhàn)性的任務(wù)包括：徒步越過碎石、清除門道堆積物、開門進(jìn)入建筑物、爬上梯子然后穿過走道、用工具突破混凝土板、定位并關(guān)閉靠近泄漏管道的閥門、替換諸如水泵等部件。國防高級研究計劃局沒有公布有關(guān)機(jī)器人應(yīng)該具備的自主水平的信息，但聲稱在開展比賽時以自主方式應(yīng)對挑戰(zhàn)和在任務(wù)層面控制機(jī)器人——例如派機(jī)器人自主開門而不是提供步進(jìn)指令來具體引導(dǎo)。在挑戰(zhàn)賽中，國防高級研究計劃局還對通信鏈路質(zhì)量進(jìn)行調(diào)控，逐漸減弱通信信號，以評估機(jī)器人如何應(yīng)對這種情況。

有腿機(jī)器人：技術(shù)尚待突破

國防高級研究計劃局“機(jī)器人挑戰(zhàn)賽”方案似乎指出了競賽中機(jī)器人的類人結(jié)構(gòu)形式，但并沒有硬性規(guī)定要如此，雖然許多參賽隊提供的系統(tǒng)的確采用了有腿類人設(shè)計。

機(jī)器人類人方案有兩大關(guān)鍵優(yōu)勢：一是形式上適合于在為人類設(shè)計的環(huán)境中行動；二是人們更傾向于接受類人機(jī)器人。

來自卡內(nèi)基梅隆大學(xué)國家機(jī)器人工程中心的一個團(tuán)隊發(fā)布了其機(jī)器人細(xì)節(jié)。卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的高智能移動平臺采用人身大小機(jī)器人的形式，依靠其四肢的每個肢體上的橡膠履帶移動。該高智能移動平臺必要時也可以只用兩肢上的履帶來移動，例如當(dāng)需要用其余肢體進(jìn)行挑戰(zhàn)性的作業(yè)時。

高智能移動平臺的每個肢體終端各有1個操縱裝置，可用來操縱物件，不影響履帶運(yùn)動。此外，它還有一大亮點，就是接近人類的力量和熟練程度。

高智能移動平臺每個肢體上還有3個傳動節(jié)頭，保障其類似人類的動作，如抓握動作。其他重要特征包括采用多模式頭部和聯(lián)合傳感器，為系統(tǒng)提供反饋信息，從而使機(jī)器人能夠以安全的方式運(yùn)動、處理物件和清除雜物。

波士頓動力工程公司發(fā)布了其高速四足機(jī)器人“獵豹”，據(jù)稱，“獵豹”以最高速度45.5km/h保持有腿機(jī)器人世界記錄，超越了奧運(yùn)會百米世界記錄博爾特的時速44.7km。

許多其他仿生系統(tǒng)已在研制中，其中包括從蟑螂和竹節(jié)蟲得到靈感的設(shè)計。許多機(jī)器人還具有爬墻能力，并以其多腿結(jié)構(gòu)提供超高級的機(jī)動性和穩(wěn)定性。

盡管國防高級研究計劃局機(jī)器人挑戰(zhàn)賽的任務(wù)似乎偏好于類人機(jī)器人機(jī)動，但這會大大提高復(fù)雜程度、計算需求和功率消耗。

當(dāng)前，電力需求可能給有腿系統(tǒng)提出了最大的工程設(shè)計挑戰(zhàn)，有腿系統(tǒng)的復(fù)雜設(shè)計需要消耗很大的電力，而且現(xiàn)在的能源技術(shù)還不能滿足這一需求。班用步行保障系統(tǒng)應(yīng)對這種挑戰(zhàn)采用了一種常規(guī)內(nèi)燃機(jī)，但這并不適用所有系統(tǒng)，還需要電池技術(shù)的長足進(jìn)步。

除電源外，有腿機(jī)器人的發(fā)展還面臨著傳感器、光探測技術(shù)的制約。

有腿機(jī)器人的發(fā)展還只是剛剛起步，我們將對這種新型機(jī)器人繼續(xù)關(guān)注。endprint