PackBot:戰(zhàn)場(chǎng)上的百變“背包”

IRobot公司曾是一家以開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)小型家用機(jī)器人為主的公司，在美國(guó)發(fā)動(dòng)對(duì)伊拉克反恐戰(zhàn)爭(zhēng)后，該公司敏銳地嗅到戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)小型軍用機(jī)器人的巨大需求，遂開(kāi)始了軍用機(jī)器人的開(kāi)發(fā)。公司開(kāi)發(fā)的PackBot系列小型機(jī)器人滿足了軍方的需求，從而IRobot公司迅速成為最成功的軍用機(jī)器人制造商之一。如今，共有約2500臺(tái)PackBot系列機(jī)器人活躍在美國(guó)三軍中，Pack-Bot也由最初型號(hào)發(fā)展到最新的510型，伊、阿戰(zhàn)場(chǎng)上的第82空降師、第101空中突擊師以及各軍種特種部隊(duì)都在廣泛使用各種型號(hào)的PackBot，用以處置簡(jiǎn)易爆炸裝置、遂行室內(nèi)偵察和搜尋可疑物品等任務(wù)。該款機(jī)器人功能全面、外形小巧，加之質(zhì)量較輕，因此美國(guó)大兵們也將之昵稱為“背包”。

名副其實(shí)的“背包”

當(dāng)初，IRobot公司為縮短研發(fā)時(shí)間、減少風(fēng)險(xiǎn)，大量采用成熟的結(jié)構(gòu)框架和商用現(xiàn)貨組件，從而造就了PackBot的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)。

PackBot的結(jié)構(gòu)主體就是它的履帶式底盤，其控制系統(tǒng)和模塊負(fù)載區(qū)則位于履帶之間的區(qū)域。其主體框架非常小巧，動(dòng)力系統(tǒng)為小型靜音電動(dòng)馬達(dá)，由車載電池供電，電池模塊位于主履帶間的空隙處，可更換。以配備爆炸物拆除機(jī)械臂(EOD套件)的PackBot系列最新型——510型為例，其主要諸元：攜帶兩塊電池時(shí)系統(tǒng)總質(zhì)量為30.8kg(平臺(tái)自身質(zhì)量約18kg)，前置履帶不展開(kāi)時(shí)系統(tǒng)總長(zhǎng)為8icm(展開(kāi)180度角后長(zhǎng)102cm)、卸下前置履帶后系統(tǒng)寬41cm(帶前置履帶時(shí)寬52cm)、機(jī)械臂處于收縮狀態(tài)時(shí)高41cm(完全展開(kāi)后最高為221cm)。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，PackBot的最大亮點(diǎn)是兩只履帶主動(dòng)輪外側(cè)附配有可拆卸式前置履帶。這兩截可拆卸式前置覆帶并非標(biāo)新立異，而是針對(duì)PackBot本身尺寸較小的特點(diǎn)特意設(shè)計(jì)的，它對(duì)提高底盤的越障能力、增大主履帶的拖曳力都很有幫助。PackBot的另一設(shè)計(jì)巧妙之處在于其搭載的負(fù)載模塊多采用肘節(jié)式設(shè)計(jì)，攜帶時(shí)可以折疊收放在兩履帶之間。PackBot的電池模塊采用低成本的鎳鉻可充電電池組。根據(jù)PackBot所執(zhí)行任務(wù)的性質(zhì)，標(biāo)配的兩塊電池可使用2～12小時(shí)，如果需要延長(zhǎng)任務(wù)時(shí)間，還可再加裝兩塊電池，使續(xù)航時(shí)間達(dá)到4～24小時(shí)。

PackB0t的機(jī)械臂總長(zhǎng)達(dá)203cm，全伸展時(shí)可舉起4.5kg的重物，最大限度可抬舉13.6kg的重物。全臂4個(gè)肘節(jié)共有8個(gè)獨(dú)立的自由關(guān)節(jié)，分別為：肩部萬(wàn)向轉(zhuǎn)軸(與底盤相連)、肩部軸(0～220度旋轉(zhuǎn))、肘節(jié)1、肘節(jié)2(兩者皆可在0～340度間旋轉(zhuǎn))、萬(wàn)向機(jī)械爪、機(jī)械爪夾頭(0～180度開(kāi)合)、萬(wàn)向爪夾頭和爪夾頭斜面(0～220度開(kāi)合)。全系統(tǒng)共配有4個(gè)攝像頭，分別用于完成行駛監(jiān)控、任務(wù)操作監(jiān)控。它的行駛監(jiān)控由1個(gè)廣角單色低光CCD負(fù)責(zé)，安裝在底盤下部，俯仰角達(dá)220度，既可向上監(jiān)控機(jī)械臂運(yùn)作，也可向下詳查車體前地面狀況；操作監(jiān)控由1個(gè)安裝在機(jī)械臂端、具有12倍變焦能力的彩色CCD和兩個(gè)安裝在其他位置的輔助CCD構(gòu)成，通過(guò)它們可多角度、多方位地觀察機(jī)械爪的動(dòng)作。

PackBot的越障能力也值得稱道。PackBot“身材”短小，質(zhì)心很低，其他一些大型無(wú)人平臺(tái)所難以克服的寬溝、斜面和陡坡，對(duì)PackBot來(lái)說(shuō)完全不成問(wèn)題。其道理就像馬匹遇到無(wú)法越過(guò)的寬溝時(shí)只得繞道而行，而螞蟻卻能無(wú)視障礙的存在，直接從溝底爬過(guò)一樣。而且，在攀爬超過(guò)60度以上的斜坡時(shí)，PackBot的前置履帶會(huì)調(diào)整到與主履帶重合的位置，由于兩套履帶同軸，轉(zhuǎn)動(dòng)方向也相同，接地面積的增大強(qiáng)化了PackBot的爬坡能力。而對(duì)于更陡的斜坡，IRobot公司還為PackBot配備了爬坡專用履帶，該履帶的齒廓更粗大，應(yīng)付爬坡更為輕松自如。

當(dāng)然對(duì)于身材短小的機(jī)器人來(lái)說(shuō)，其他大型平臺(tái)絲毫不構(gòu)成障礙的臺(tái)階、矮墻等，這類機(jī)器人就難以逾越了。在這種情況下，PackBot特有的前置履帶再次發(fā)揮作用——當(dāng)前置履帶向前伸展開(kāi)與主履帶形成一定角度后，就能使機(jī)器人攀上一定高度的垂直障礙。比如，遇到較高的臺(tái)階時(shí)，PackBot前置履帶會(huì)向前展開(kāi)搭上臺(tái)階邊沿，在前后兩副履帶的共同驅(qū)動(dòng)下，就能翻過(guò)高階。當(dāng)然，PackBot翻爬臺(tái)階的高度存在上限，根據(jù)它的翻越原理可輕易得出它的高限就是其前置履帶的長(zhǎng)度，即30cm左右。

PackBot最大弊端是時(shí)速也較低，在平地時(shí)速只有14km，遇到危險(xiǎn)時(shí)，多半只能“殺身成仁”了。

多用途機(jī)器人

自2003年第一臺(tái)PackBot機(jī)器人正式服役以來(lái)，PackBot取得了巨大的商業(yè)成功。如今，IRobot公司為PackBot配備了幾十種不同的配件、組件，除去一些比較常用的組件，如傳感器、機(jī)械臂外，有些組件可能是第一次裝配在戰(zhàn)場(chǎng)機(jī)器人上，比如，輕武器系統(tǒng)上常用的皮卡汀尼導(dǎo)軌。通過(guò)導(dǎo)軌，操作人員便可將戰(zhàn)術(shù)燈、額外的傳感器、粉碎玻璃或薄混凝土層的鉆頭以及激光指示裝置之類的小附件裝配到PackBot上。這是考慮到PackBot可以通過(guò)通風(fēng)管道、下水道系統(tǒng)進(jìn)入建筑物內(nèi)部，或進(jìn)入恐怖分子隱匿的坑道內(nèi)進(jìn)行偵察時(shí)，通過(guò)機(jī)械臂上的皮卡汀尼導(dǎo)軌加裝各種附件可擴(kuò)大其功能范圍。

綜觀PackBot的各類配件，幾乎可把PackBot打造成小型機(jī)器人中的“瑞士軍刀”——具有超多功能，但歸納起來(lái)，PackBot的主要用途不外乎爆炸物探測(cè)與清除、危險(xiǎn)物質(zhì)偵測(cè)、偵察探測(cè)并制圖這三種。

爆炸物探測(cè)與清除 以往，要確定一片雷場(chǎng)中所埋設(shè)地雷的確切位置，需要大規(guī)模動(dòng)用工兵部隊(duì)，采取手工排雷作業(yè)，既危險(xiǎn)又費(fèi)時(shí)費(fèi)力。在環(huán)境更為惡劣的反恐戰(zhàn)場(chǎng)上，探知、清除爆炸物則更加不易。正是在此背景下，美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)技術(shù)規(guī)劃署早在2002年就啟動(dòng)了一項(xiàng)名為“狗鼻子”的工程項(xiàng)目，由麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)新機(jī)理的爆炸物快速探測(cè)、定位裝置。項(xiàng)目小組很快便開(kāi)發(fā)出Fido傳感器，軍方將其部署到Pack—Bot平臺(tái)上，用于爆炸物探測(cè)。

Fido傳感器的工作原理很簡(jiǎn)單，就是利用爆炸物(主要是TNT)會(huì)不斷揮發(fā)出痕景(化學(xué)上指極小的量，少得只有一點(diǎn)痕跡——編者注)爆炸物蒸氣分子的特性而進(jìn)行探測(cè)。Fido傳感器的核心是麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)的熒光聚合物材料，這種物質(zhì)對(duì)主要爆炸物分子非常敏感。簡(jiǎn)單說(shuō)，當(dāng)自然光線照射到聚合物后，它會(huì)受激自發(fā)輻射出人眼看得到的熒光。如果此時(shí)空氣中存在著痕量TNT分子，就會(huì)被“吸引”而覆蓋到聚合物表面，阻斷聚合物受光照后的自發(fā)輻射過(guò)程，就不會(huì)有熒光產(chǎn)生。配合高靈敏度探測(cè)記錄儀，F(xiàn)ido傳感器便可根據(jù)熒光強(qiáng)度所表示的TNT痕量分子濃度，判斷是否存在爆炸物。據(jù)美陸軍在密蘇里州倫納德伍德堡進(jìn)行的實(shí)戰(zhàn)性對(duì)比試驗(yàn)，F(xiàn)ido傳感器成功地“嗅”出了TMA5和PMAIA型反坦克地雷，其準(zhǔn)確率與最優(yōu)秀的反爆炸物軍犬不相上下。2006年，F(xiàn)ido傳感器走上伊拉克戰(zhàn)場(chǎng)，接受實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)，在得到美陸軍前線官兵的認(rèn)可后，很快被安裝在了100CHARS項(xiàng)目。cHARS意即“化學(xué)武器、危險(xiǎn)氣體及放射性傳感器組”，它由美軍機(jī)器人系統(tǒng)聯(lián)合項(xiàng)目辦公室聯(lián)合IRobot公司，在45天內(nèi)開(kāi)發(fā)完畢。4臺(tái)裝有CHARS傳感器組的PackBot機(jī)器人早在2003年11月就被緊急運(yùn)往伊拉克。該傳感器組由3部分組成，分別是JCAD化學(xué)武器傳感器(可對(duì)多種常見(jiàn)毒氣，如沙林、芥子氣、氰化物和光氣等進(jìn)行探測(cè))、MultiRae危險(xiǎn)氣體傳感器和AN／UDR－13放射傳感器，該傳感器組同樣配置在機(jī)械臂上。

偵察探測(cè)并制圖 與前兩項(xiàng)任務(wù)相比，最后這項(xiàng)任務(wù)也不輕松，而且它主要源于美軍在陌生城市作戰(zhàn)的實(shí)戰(zhàn)需求。在經(jīng)歷了反恐戰(zhàn)爭(zhēng)初期的速勝后，美軍士兵開(kāi)始進(jìn)入伊、阿城市地區(qū)繼續(xù)圍剿恐怖組織，在城市環(huán)境中，美軍士兵在巡邏和探尋過(guò)程中最犯怵的，可能就是一幢幢疑有恐怖分子的陌生建筑物了。PackBot在配備各類偵察探測(cè)模塊后，情況大為改觀，因?yàn)镻ackBot可實(shí)現(xiàn)以下幾種功能：線形路線偵察，即在偵察行進(jìn)過(guò)程中拍攝沿途環(huán)境和景物，完成后原路返回，并實(shí)時(shí)描繪行進(jìn)線路沿線和地形圖；閉合路線偵察，即圍繞某一固定目標(biāo)繞行一周，拍攝目標(biāo)影像，同時(shí)將目標(biāo)的特征及進(jìn)、出口等信息繪制成簡(jiǎn)圖；街道路線偵察，即城市地形復(fù)雜、道路四通八達(dá)，PackBot行進(jìn)線路不確定，在操縱人員指揮其行進(jìn)過(guò)程中，可根據(jù)GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)和實(shí)拍周圍影像，實(shí)時(shí)繪制丁字路口、十字路口的方位圖。

PackBot在偵察行駛完成后，就能立即向操作人員提供目標(biāo)區(qū)的地形概圖， “告訴”操作人員這條走廊通向哪里，某個(gè)路口的分叉分別通往哪些區(qū)域等——這些問(wèn)題始終是室內(nèi)攻防作戰(zhàn)的制勝基礎(chǔ)。

路線偵察與制圖功能源于目前在機(jī)器人定位方面最熱門的SLAM技術(shù)。SLAM意即“同步定位及建圖”，其基本原理是運(yùn)用概率統(tǒng)計(jì)的方法，通過(guò)多特征匹配來(lái)達(dá)到自身定位的目盺并減少定位誤差。

“背包”另類“異想天開(kāi)”之用途

除上述成熟的應(yīng)用功能外，PackBot還有一些聽(tīng)起來(lái)顯得“異想天開(kāi)”的用途，其中最具代表性的是以下兩

上天入地之“獅鷲” 為PackBot能人地的戰(zhàn)場(chǎng)“全才”，現(xiàn)在已成為現(xiàn)實(shí)。插上翅膀的PackBot名為“獅鷲”(Griffon)，由美國(guó)陸軍的一所研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)。它由一臺(tái)packBot平臺(tái)、一具可控制翼傘、一臺(tái)汽油螺旋槳引擎和一套連接平臺(tái)、翼傘和引擎的機(jī)身框架組成，系統(tǒng)總質(zhì)量約26kg。目前已完成了遠(yuǎn)程控制起飛、爬升、下降和著陸等實(shí)飛試驗(yàn)。

操縱時(shí)，控制人員通過(guò)無(wú)線電控制翼傘與車體平臺(tái)連接繩上的兩個(gè)伺服機(jī)構(gòu)。以控制翼傘的轉(zhuǎn)向、爬升和下降，而系統(tǒng)的時(shí)速則通過(guò)汽油引擎上的另一個(gè)油門伺服機(jī)構(gòu)來(lái)完成，其最高時(shí)速可達(dá)32km／h。

戰(zhàn)場(chǎng)守護(hù)神 與上面的奇思妙想相比，為前沿醫(yī)療兵配備PackBot具有更現(xiàn)實(shí)的意義。它由美國(guó)陸軍遠(yuǎn)程醫(yī)療和先進(jìn)技術(shù)研究中心開(kāi)發(fā)，研制目的是為火線上受傷的官兵提供一個(gè)可靠的“守護(hù)神”。

裝載了拖曳模塊(EP)的PackBot名為“女武神” (Valkyrie)，它去除了其他不必要的模塊，最大限度地保持系統(tǒng)的拖曳能力。在前沿發(fā)生傷亡事件后，醫(yī)療人員便可搖控它出入流彈四射的交火地帶，將傷員拖曳至安全地帶再做救治。同時(shí)，為最大限度地贏得搶救時(shí)間，它還可以在醫(yī)生的控制下完成一些簡(jiǎn)單的救護(hù)動(dòng)作，比如為傷員肌注強(qiáng)心針、鎮(zhèn)痛劑等。