有腿機器人正在走來

劉煥松+徐欣

在伊拉克和阿富汗戰爭的推動下，無人作戰系統得到迅猛發展，各國在無人作戰系統的研制和采購上不惜大把投入資金。

當無人機廣受關注之時，地面類似系統也贏得了陣陣喝彩。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，而且在執行任務時經常被損壞或丟失。如今無人地面車輛已不僅僅限于爆炸物處理，其任務范圍正在擴大，開始承擔起偵察甚至后勤任務。

但是，當前無人地面車輛面臨的關鍵挑戰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動能力，但是其履帶或輪式配置限制了它們的戰斗使用。于是有腿機器人正在引起人們的關注。

有腿機器人有很多優勢：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器人所不能完成的任務。

四足機器人：

班用步行保障系統

針對目前的無人車系統不能跟隨士兵到想去的任何地方這一現狀，美國海軍陸戰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的“班用步行保障系統”，英文縮寫為LS3。這一研究計劃的目標是將機動能力與后勤能力整合在一個系統中，這個系統能夠24小時不間斷地將181kg的裝備運送32km以上的距離，并且還能保障部隊同步行動。

班用步行保障系統是在波士頓動力工程公司的“大狗”四足機器人基礎上發展而來的。2012年12月，其在弗吉尼亞皮克特堡進行了試驗，這是與美國海軍陸戰隊作戰試驗室聯合進行的為期兩周的試驗。該系統的4條腿上裝有液壓馬達，馬達上安裝了監測關節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控制。該系統可以在疏松、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，驗證了系統的5種能力：執行語言指令、夜間行動、“傳達”命令、探測環境、智能化腳的放置。

負責該系統的項目軍官約瑟夫·希特指出，平臺的穩固性和感知性是擺在系統面前的主要挑戰，這不是個容易解決的問題。

機器人系統，不管是有腿的還是輪式或履帶式的，要真正能在戰場上使用，其對所部署環境的感知能力將是有效應用的一個關鍵因素。

“我們有了有腿的運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識了，它已經記住了地形的特征。這是做得到的，但是難就難在地面環境可能太過復雜，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，致使有腿系統會出現更多的故障類型，它們可能摔倒，載物可能掉下來，可能踢到障礙物，這些都在挑戰我們的工作極限?！奔幽么蠹獱柎髮W計算機科學系主任格雷戈里·杜德克教授如是說。他認為，“一個主要的挑戰是提供系統在一定距離內的感知能力，不僅要知道機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測將是非常重要的”。

“非認知機器人是愚蠢的，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機器人技術研究所彼得·瓊克教授解釋說，認知系統能學會認知，知道對象是什么及其屬性。瓊克教授說，認知是通過輸入和輸出之間的關聯建立起來的，可通過提高機器人計算能力和增加存儲器得以實現?！霸谶^去10年或15年間我們確實沒有這么巨大的存儲能力，但現在我們已有G級的存儲能力，因此我們能夠將一切儲存在一個對照表中并且運行。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。當然，增加存儲器也可提高處理能力。

救災機器人：演示功能應用

美國國防高級研究計劃局在“機器人挑戰賽”中率先推出了有現實應用能力的功能機器人，即救災機器人。挑戰賽中，機器人演示了感知能力、機動性和通用性多方面的功能，而且機器人要面對許多與人類有關的獨特特性。

挑戰性的任務包括：徒步越過碎石、清除門道堆積物、開門進入建筑物、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機器人應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對挑戰和在任務層面控制機器人——例如派機器人自主開門而不是提供步進指令來具體引導。在挑戰賽中，國防高級研究計劃局還對通信鏈路質量進行調控，逐漸減弱通信信號，以評估機器人如何應對這種情況。

有腿機器人：技術尚待突破

國防高級研究計劃局“機器人挑戰賽”方案似乎指出了競賽中機器人的類人結構形式，但并沒有硬性規定要如此，雖然許多參賽隊提供的系統的確采用了有腿類人設計。

機器人類人方案有兩大關鍵優勢：一是形式上適合于在為人類設計的環境中行動；二是人們更傾向于接受類人機器人。

來自卡內基梅隆大學國家機器人工程中心的一個團隊發布了其機器人細節。卡內基梅隆大學的高智能移動平臺采用人身大小機器人的形式，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，例如當需要用其余肢體進行挑戰性的作業時。

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合傳感器，為系統提供反饋信息，從而使機器人能夠以安全的方式運動、處理物件和清除雜物。

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

許多其他仿生系統已在研制中，其中包括從蟑螂和竹節蟲得到靈感的設計。許多機器人還具有爬墻能力，并以其多腿結構提供超高級的機動性和穩定性。

盡管國防高級研究計劃局機器人挑戰賽的任務似乎偏好于類人機器人機動，但這會大大提高復雜程度、計算需求和功率消耗。

當前，電力需求可能給有腿系統提出了最大的工程設計挑戰，有腿系統的復雜設計需要消耗很大的電力，而且現在的能源技術還不能滿足這一需求。班用步行保障系統應對這種挑戰采用了一種常規內燃機，但這并不適用所有系統，還需要電池技術的長足進步。

除電源外，有腿機器人的發展還面臨著傳感器、光探測技術的制約。

有腿機器人的發展還只是剛剛起步，我們將對這種新型機器人繼續關注。endprint