从有车轮开始,地面移动技术似乎就成了件大事。在机械运输的初期,为把能量转变成有用的迅速移动,人类就已围绕着轮轴上的车轮这一概念制造地面交通工具。
如今,技术的汇集与发展使机器人可以自治,适应力正成为影响机器人基本设计的范例。
为协助人类快速周转所需物品,无人地面车辆的开发者们不再仅仅是把主要的变化集中在传统的轮轴范畴之内,而是想方设法完全替代车轮。
车轮和轨道:橙子和桔子
所有的技术都包含着交替使用,要增进效能,车轮贡献的是其灵活性。虽然对于路面和其它平面以及固体表面来说车轮是最佳选择,但是车轮不太适合越野地带。
在机械动力时期为解决越野地带移动问题,美国和英国的创新家在一个多世纪前就想出了履带式车辆的概念。但是最适合钢制履带的恰好是橡胶轮胎,这两样都是由车轴获取动力,这就限定了移动的有限范围和空间度。
在这两种情况下,移动原则是相同的:橡胶轮胎(或钢制履带)与路面接触的位置也正是车辆固定底盘和重心与地面对应的位置。
最后的结果就是,无人地面车辆基于传统的车辆设计,在移动技术方面基本上是受有人驾驶车辆的局限。相反,从一片空白开始设计无人地面车辆的结构才终将能使其达到所期的全部潜能。
无人地面车辆的前景:新车体上的新思路
无人地面车辆的结构设计可划分为三代或四代,类似于目前正考虑未来软件塑造的‘因特网1.0/2.0’的区别。值得注意的是,更新换代的进程是沿着两个相关但又有差异的层面来进行的:机械移动结构和电子系统控制。
1.0代是远程控制车辆,其他方面有着传统结构和性能,特别是就移动而论。主要的例子包括无人驾驶车已在美国国防高级研究计划局的都市大挑战中参赛,此外,几千台福斯特-米勒公司的“魔爪”机器人当前正在伊拉克和阿富汗执行排雷任务。
无人地面车辆的第一代基本上是在驾驶员座位处安置一部摄像机,机械控制仪器,和一部无线电,此外车辆的其它部分保持不变。因此,这一代有两个通病:需要操作人员的特别关注和指挥,克服困难或抵达复杂地带的能力有限。
2.0代是在发展其移动结构上提高移动性。一个主要的例子就是洛.马公司的多用途通用/后勤装备(MULE),它有两项设计创新,提高了在崎岖地带的移动能力。
它的六个车轮各自与单独驱动的车轴相连,这可以在所有的空间调节车轮位置---独立的悬挂方式允许机器人克服像低矮障碍那样的非常规间断表面。如果一个车轮或车轴失去工作能力,机器人能够调整其重心,用五个车轮(甚至最少用三个车轮)驱动。
无人地面车辆的第二代有了巨大的变化,但仍是在移动结构上演变创新。同样,无人地面车辆内有足够的计算机智能以使其适应对基本性能活动所作的调整。但车辆仍是由人类远程操控。
反传统之做法
3.0代的特色是,从车轴移动和人类控制范畴中分离开来的真正创新。无人机已经使用了类似技术,比起空中环境,在复杂得多的地面使用该技术则更令人佩服。
把由操作人员决策的责任转给机器人的一个重要例子就是“压碎机”集成无人地面战车感知项目(UPI),该项目由美国国防高级研究计划局的战略技术办公室管理。UPI项目结合了“蜘蛛”无人地面战车 (一个1.5代平台)和越野机器人感知项目(PerceptOR)。
反过来,越野机器人感知项目(PerceptOR)组合了多通道传感技术,比如机械视域和带有更先进的自主导航算法的陀螺仪,能够理想的执行‘区域路径优选’(智能决策哪些障碍可以避开,哪些障碍必须克服)。
3.0代更为珍贵的一面是把自然存在的移动技术揉合到了机器人技术中。生物模仿,即模仿生物的设计, 用进化和自然选择作为概念验证的最终验证符,在动物王国,车轮显然是不存在的。
进化设计
进化已为全功能地面移动提出了两种选择方案----扭动前行和行走---美国国防高级研究计划局已经在研究这两个领域的项目。
战略技术办公室的蛇形机器人是多维移动机器人项目(MDMR),研究的是蜿蜒运动概念,例如在非常光滑的表面和近乎垂直的斜面等极端地带的导航中应用。当然还包括蛇的狭长可扭曲的特性,象这样就能够扭动前行进入到岩石的缝隙,通风的坑道,或者类似阿富汗的拖拉博拉区域内的一些地方。
美国国防高级研究计划局有几个行走机器人计划。其中一种车辆是战略技术办公室的“大狗”,由波士顿动力公司开发的一个四条腿支撑的“骡子”。由于它具有在冰面上打滑之后无人介入的情况下恢复平衡的功能,“大狗”已在Youtube发布过网络视频以示庆祝。
类似的还有,战略技术办公室管理的都市作战行动蚱蜢项目,目的在于开发一个比普通专业篮球队员还要棒的可垂直跳跃几次并在腿上装有轮子的混血机器人。