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專家:陸戰機器人應走模塊化道路 便于戰場維修
中國發展門戶網 www.chinagate.cn  2010 年 05 月 27 日 
關鍵詞: 陸戰機器人 軍事備用 軍事 備用 陸戰 機器人
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一個MSRR可以自行重組變成不同的形態,允許它選擇最合適的形態在當前環境中移動。

一個MSRR可以自行重組變成不同的形態,允許它選擇最合適的形態在當前環境中移動。

現代陸戰的面貌變化迅速。全世界的防衛組織必須經常調整和提高,以保持與對手的相對優勢。機器人技術作為一項特殊領域,許多國家對此的興趣也在不斷增長。它們的主要工作是延續傳統的路線,即設計特種機器人從事特定任務。設計這些機器人本意不是用于多任務,因此當被迫應付改變了的環境時,它們的性能會遭受些損失。本文建議采用更加通用的方案:模塊化自重組機器人(MSRR)。它們具備使自身結構適應現有任務和環境的能力。它們的極端模塊化結構使那些未經培訓的用戶在戰場上也能容易地對其診斷和維修。這類系統固有的大量冗余可以在面臨部分損壞的情況下顯著延續其性能。它們具備3個優點:靈活性、可維護性和健壯性,對全世界武裝力量來說都有用的鮮明特性。而且澳大利亞根據其獨特防衛需求(基于地理、現役規模和部署形式),已經享受到了重要的戰略優勢。本文將討論這種模塊化系統的優勢以及一種特殊的試驗性應用:多功能機器人(POLYBOT)。

1、模塊化可重組機器人(MSRR)

模塊化可重組機器人(MSRR)由大量分散的模塊組成。每個模塊都可以與另外一個或其它大量的模塊實現機械上的聯接。單個MSRR中的不同模塊數量很小(不超過5個),單個模塊的可能只有一個自由度,極平常,但是結合后可以構成一個隨心所欲的復雜結構。

不僅一個具備隨意復雜性的機器人可以實現,而且大量的極其不同的機器人也可以由共同的模塊構成。特殊機器人的特性隨著它的形式改變而發生變化。例如,一個MRR可以有6條腿,在困難地形上行走(經典的爬蟲式腿運動)時可以使傳感器有效載荷保持穩定。另外一個MRR,也是由同一類模塊構成,也許外形象一條細長的蛇,能夠爬過裂縫和管道進入一些禁區。實際上,在一些特定的限制內,一些設計優秀的模塊可以用于設計所有用途的特殊機器人。

這為在工廠層面節省成本提供了潛力,采用一、兩種元件制造各種不同的機器人,也使規模經濟得到發揮。但是除了節約成本的好處得到推廣,對用戶來說沒什么用處。當MRR變成模塊化自重組機器人(MSRR),它們會變得更加吸引人們的注意。

除了上面討論的特性以外,MSRR間的機械接口可以實現電驅動,也就是可由機器人自己控制模塊的結合(或者對接)和分離。通過模塊的分離與再結合,一個MSRR可以完全改變自己的基本結構,這就為機器人可重組特性真正具備價值留下了空間。下面的段落討論一個MSRR在陸戰中可以提供的戰略優勢,其中許多對澳大利亞軍隊來說已經可以運用。第3節講述經過發展后的MSRR與美軍相結合的特殊應用。

2、戰略優勢

過去20多年,在開發機器人技術過程中開展了大量工作。這一節將討論MSRR與其它機器人相比所顯示出的優勢。

2.1靈活性

從前的非MSRR(傳統機器人),某種程度上可以粗略分為兩大類,專業與通用機器人。專業機器人還遠未普及。這些機器人是為了實現一種特定工作而特別建造的(目的是為了使工作更好、更快、更有效率等)。這些工作包括清潔、焊接、運輸和組裝。這些機器人基本上都是為一種特定的環境而設計,不可改變。而其所使用的環境也許會如整個建筑的地板一樣廣闊,對機器人來說通常固定在一個高大建筑內的一個位置,建筑內所有物體的位置都具有很高的精度。這些機器人在特定的環境中從事特定的工作---事實上,這些它們都經過了優化設計,盡管受限于設計,使其缺少顯著的靈活性。

盡管主要處于研究階段,但依然存在一些更加通用的傳統機器人。這些機器人都是特殊設計,具有更多的靈活性。例如,用于老年人護理的機器人助手可以取物、運送并幫助行走。盡管如此,其所有的技能也是有限的,環境也僅限于相對老的房屋的單一樓層。

所以傳統機器人通常是專門建造并在某一特定環境中擔任一些角色。它們這樣工作很多,但也僅此而已??紤]到自身的規模,澳大利亞軍隊發現具備多種技能的人員并不是想要的,但是又必須要。相似的,一個靠士兵體力運送到戰場的所有裝備都必須是多功能的。所以一個機器人,如果要值得一個已經負重的士兵去費力,則必須不僅僅是一個專門角色。

士兵很少有機會工作在定義明確的單一環境中。所有澳大利亞軍隊使用的機器人必須在多變的環境中實現所需的功能。通過雨林或沙漠,在石堆中或郊外的街道中進行操作。澳洲大陸提供的潛在競技舞臺,或者澳洲軍隊有可能部署的地域,這些環境變化都是巨大的,這些尺度的環境變量都必須計劃好。然而一個由士兵搭載的足夠小的機器人卻是面臨的另一個挑戰。鑒于它的尺寸,即使很小的物體也可能變成障礙,并且小的地形變化對其來講也已是很顯著的了。在一個表面臟污的平面上運動的技巧與越過一堆石頭或碎石是不同的,那里每塊石頭都比機器人大。在城市里,爬過籬笆或污水管與在草地上爬行明顯不同。現代軍隊發現其自身所處的各式各樣(變差,一般是改變)的舞臺,對于設計用于專門環境的傳統機器人來說形成了一個特殊的挑戰。一個MSRR可以改變形態,使其具備多任務能力。這類挑戰也使其可以加以適應,并工作于或穿越多種環境。

在陸戰中使用機器人的一個關鍵是靈活性。將在不同的上下文中加以說明(在討論澳大利亞防衛通信網絡需求時),作者相信沃倫?哈克(DSTO陸地公司領導人)的評論是更加普遍可行的:“適應性和可重組能力也許比專門目的的設計更重要”這就是制作功能機器人的準確目標,在第3節中加以描述的MSRR。

2.2后勤

在軍隊的所有前伸作戰中面臨的一個嚴重問題就是后勤供應。在澳大利亞這樣的國家,具有如此廣的地域和極其零星的供應基地,這種問題顯得更加嚴重,而且這還是在日益考慮頻繁海外部署之前。盡管它并不是本主題的問題所在,但也仍然是機器人領域沒有解決的問題。軍隊后勤與一件類似機器人的裝備所擁有的復雜新部件間的交互操作是很重要的。

澳大利亞國防軍的后勤部有理由為他們具備快速調整以適應新裝備(經常是已經下線)的能力而自豪。然而引入幾十種不同的專業機器人,每種機器人都帶有潛在的備件和復雜的診斷程序,這種狀況即使對于經受戰爭錘煉最多的供應軍官來說也是個惡夢。

快速維修的重要性已經在DSTO中提到了。Utimus項目是為有效與安全的清除地雷(沒有傳統地雷掃除方法(坦克+破壞鏈)引起的破壞性損害)而設計的,這個項目的一個重要方面是所犧牲的“腿”(希望在引爆過程中機器人唯一損壞的部分)是在戰場中容易更換并且成本低的。通過部署一個MSRR,而不是一群傳統的機器人,因此機器人部件占供應點的份額有所下降,只有幾種不同的模塊,在多功能機器人案例中是2個。所以MSRR把Ultimus項目的設計理念帶入它們的邏輯結論中。

在一個MSRR中,診斷是完全自動的,維修并不重要。如果一個模塊故障,那么它可以被內部診斷出來(沒有單一元件是至關重要的,將在2.3節中加以討論)?;谶@種識別,系統將通過物理上與故障模塊切斷聯系來實現簡單重組,并將拋棄故障模塊。對于受過2分鐘訓練的人員來說,足可以將任何一個替代模塊推入到機器人的任何部分。MSRR將對自己進行重組,把替代部分置于它所屬的地方。

2.3 優雅降級

雖然對故障區域的設備進行方便的支持與維修很重要,但是防止這些故障所具備的健壯性在第一個例子中顯得更為關鍵。在履行戰斗任務時,士兵的生命依賴于他們手中工具的表現,即使對于配發的標準裝備,士兵也極不愿意使用任何可靠性存在問題的器材。

任何機械系統,特別是處于嚴酷的戰場中,都可能變得疲勞或者損壞。一個帶有許多小的動作器、精密的傳感器和復雜的電子元件的機器人,是這類故障的最好侯選人,而作者們也確實沒有宣稱MSRR是個例外,但是MSRR提供了一種具備優雅降級和部分自修理的特性。

因為MSRR是由數百或上千的同一模塊組成的,每個均帶有動作器和片上處理系統,所以大規模的冗余是其設計所固有的。對于給定的自由度,這一系統將能夠經常性地在控制層面上簡單地補償失效模塊,這樣以來,顯然性能會受到影響,但是許多情況下不會很明顯。任何情況下,帶著降低的性能投入工作都遠好過大多數傳統機器人發生災難性故障的情形,所以通過這種方式,機器人降級是“優雅”的。

當然有時候,一個至關重要的模塊或者不幸的模塊組合可能發生故障,即便如此,也沒有失掉全部功能。通過自重組這種能力,一個MSRR可以勝任一定量的自維修。通過自重組,一個MSRR可以移動或去除這些故障模塊,并使用正處于運行狀態的其它機體的模塊代替它們。為繼續執行自己所接受的命令,在模塊變少的情況下,需要適應。也許要稍微減少每條腿的長度(如果一些模塊是從其它部分“借”來的)。這種適應可以在MSRR內部發生,但對于傳統機器人來說是不可能的。優雅降級加上適應性控制,增強了有限度的自維修能力,意味著許多機器人內部的獨立故障可以在沒有整個系統發生災難性故障的情況下繼續存在。相對于傳統機器人,這是一個明顯的優勢。

來源: 中國網
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