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(zhēng)的推動(dòng)下，無人作戰(zhàn)系統(tǒng)得到迅猛發(fā)展，各國(guó)在無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的研制和采購(gòu)上不惜大把投入資金。

當(dāng)無人機(jī)廣受關(guān)注之時(shí)，地面類似系統(tǒng)也贏得了陣陣喝彩。簡(jiǎn)易爆炸裝置給部署在阿富汗的部隊(duì)帶來了最大威脅，這一事實(shí)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(xiǎn)”的任務(wù)，而且在執(zhí)行任務(wù)時(shí)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(dòng)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(shì)：非常適合崎嶇的地形，能爬臺(tái)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(duì)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(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)與美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)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L(zhǎng)S3。這一研究計(jì)劃的目標(biāo)是將機(jī)動(dòng)能力與后勤能力整合在一個(gè)系統(tǒng)中，這個(gè)系統(tǒng)能夠24小時(shí)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(duì)同步行動(dòng)。

班用步行保障系統(tǒng)是在波士頓動(dòng)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(yàn)，這是與美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)作戰(zhàn)試驗(yàn)室聯(lián)合進(jìn)行的為期兩周的試驗(yàn)。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(cè)關(guān)節(jié)位置和力度的傳感器，而行走動(dòng)作最終由操縱這些傳感器的自帶計(jì)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(yàn)期間，驗(yàn)證了系統(tǒng)的5種能力：執(zhí)行語(yǔ)言指令、夜間行動(dòng)、“傳達(dá)”命令、探測(cè)環(huán)境、智能化腳的放置。

負(fù)責(zé)該系統(tǒng)的項(xiàng)目軍官約瑟夫·希特指出，平臺(tái)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(gè)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(chǎng)上使用，其對(duì)所部署環(huán)境的感知能力將是有效應(yīng)用的一個(gè)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(shí)間去認(rèn)識(shí)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(huì)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?！奔幽么蠹獱柎髮W(xué)計(jì)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(gè)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(gè)地方，而且要知道能走多快。做出不同情況下的能力預(yù)測(cè)將是非常重要的”。

“非認(rèn)知機(jī)器人是愚蠢的，因?yàn)樗鼈儠?huì)一次又一次地犯同樣的錯(cuò)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(huì)認(rèn)知，知道對(duì)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(jì)算能力和增加存儲(chǔ)器得以實(shí)現(xiàn)?！霸谶^去10年或15年間我們確實(shí)沒有這么巨大的存儲(chǔ)能力，但現(xiàn)在我們已有G級(jí)的存儲(chǔ)能力，因此我們能夠?qū)⒁磺袃?chǔ)存在一個(gè)對(duì)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(chǔ)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(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局在“機(jī)器人挑戰(zhàn)賽”中率先推出了有現(xiàn)實(shí)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(dòng)性和通用性多方面的功能，而且機(jī)器人要面對(duì)許多與人類有關(guān)的獨(dú)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(guó)防高級(jí)研究計(jì)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(shí)以自主方式應(yīng)對(duì)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(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局還對(duì)通信鏈路質(zhì)量進(jìn)行調(diào)控，逐漸減弱通信信號(hào)，以評(píng)估機(jī)器人如何應(yīng)對(duì)這種情況。

有腿機(jī)器人：技術(shù)尚待突破

國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局“機(jī)器人挑戰(zhàn)賽”方案似乎指出了競(jìng)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(duì)提供的系統(tǒng)的確采用了有腿類人設(shè)計(jì)。

機(jī)器人類人方案有兩大關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：一是形式上適合于在為人類設(shè)計(jì)的環(huán)境中行動(dòng)；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(guó)家機(jī)器人工程中心的一個(gè)團(tuán)隊(duì)發(fā)布了其機(jī)器人細(xì)節(jié)?？▋?nèi)基梅隆大學(xué)的高智能移動(dòng)平臺(tái)采用人身大小機(jī)器人的形式，依靠其四肢的每個(gè)肢體上的橡膠履帶移動(dòng)。該高智能移動(dòng)平臺(tái)必要時(shí)也可以只用兩肢上的履帶來移動(dòng)，例如當(dāng)需要用其余肢體進(jìn)行挑戰(zhàn)性的作業(yè)時(shí)。

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

高智能移動(dòng)平臺(tái)每個(gè)肢體上還有3個(gè)傳動(dòng)節(jié)頭，保障其類似人類的動(dòng)作，如抓握動(dòng)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(dòng)、處理物件和清除雜物。

波士頓動(dòng)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(huì)百米世界記錄博爾特的時(shí)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(jì)。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(jí)的機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性。

盡管國(guó)防高級(jí)研究計(jì)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(dòng)，但這會(huì)大大提高復(fù)雜程度、計(jì)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(jì)挑戰(zhàn)，有腿系統(tǒng)的復(fù)雜設(shè)計(jì)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(duì)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(zhǎng)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(cè)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(duì)這種新型機(jī)器人繼續(xù)關(guān)注。endprint