3 多功能機(jī)器人

在這一節(jié)中，將會(huì)討論一種特殊的MSRR應(yīng)用。MSRR多功能機(jī)器人由位于美國(guó)加州的帕羅奧托研究中心設(shè)計(jì)和制造。目前已發(fā)展了2代和幾個(gè)小的變種。第3代，作為顯著改進(jìn)的一代此時(shí)（2002年5月）正處于建造的最后階段。

盡管多模塊機(jī)器人系統(tǒng)在多種使用環(huán)境下，已經(jīng)大量建造，但是多功能機(jī)器人是其中最早的，也是世界上最為成熟的。第1代多功能機(jī)器人被確信開創(chuàng)了世界上可以實(shí)現(xiàn)變形和以2種截然不同方式移動(dòng)的機(jī)器人的先河。

盡管MSRR提供了許多優(yōu)點(diǎn)，有些也在前面小節(jié)中討論過(guò)了，但同時(shí)它們也帶來(lái)了許多獨(dú)特的挑戰(zhàn)。這里有一系列關(guān)于多功能機(jī)器人設(shè)計(jì)、控制和應(yīng)用的出版物，這一節(jié)將對(duì)這些材料進(jìn)行簡(jiǎn)要概括。

3.1 硬件

目前多功能機(jī)器人的版本由2種模塊組成。分段是厘米級(jí)的立方體，具有1個(gè)自由度和2個(gè)聯(lián)接面。節(jié)點(diǎn)是大一點(diǎn)的立方體，不能移動(dòng)，但是有6個(gè)聯(lián)接面。每個(gè)聯(lián)接面充當(dāng)雌雄聯(lián)接裝置，允許任何一面在4個(gè)方向上與其它面聯(lián)接。（也就是說(shuō)旋轉(zhuǎn)是允許的）。機(jī)械聯(lián)接是通過(guò)4條開槽的插針與配套的插孔來(lái)完成的，由賦形的記憶合金動(dòng)作器控制閉鎖裝置。每個(gè)面有4重電氣聯(lián)接的冗余設(shè)計(jì)，都帶有電源和通信裝置。每個(gè)插針上的力傳感器允許機(jī)器人確定模塊間存在的力/力矩的大小。

分段的單個(gè)自由度是旋轉(zhuǎn)。2個(gè)相互聯(lián)接的面可以通過(guò)相互間旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)控制是由無(wú)刷直流電機(jī)通過(guò)一個(gè)軸承傳動(dòng)。有一個(gè)方向可控的剎車（或者棘輪），允許模塊在給定方向上制動(dòng)。采用這種剎車具有很多優(yōu)點(diǎn)。最主要的是在不失去剛性的情況下，通過(guò)經(jīng)常關(guān)閉電源可以大量減少電量消耗。更大的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在當(dāng)多功能機(jī)器人在抑制一個(gè)或多個(gè)環(huán)路而被配置時(shí)。通過(guò)利用剎車和由環(huán)路拓?fù)湟l(fā)的獨(dú)特性，也許可以得到接近無(wú)限的機(jī)械優(yōu)點(diǎn)。

每個(gè)相互聯(lián)接的面有4個(gè)紅外發(fā)射/檢測(cè)偶。當(dāng)2個(gè)模塊的聯(lián)接面靠近時(shí)（例如2個(gè)模塊被命令相互間對(duì)接），它們?cè)试S機(jī)器人在6維上（3個(gè)旋轉(zhuǎn)、3個(gè)位移）檢測(cè)2個(gè)模塊的相對(duì)位置。

除了電源，每個(gè)模塊是一個(gè)完全獨(dú)立的系統(tǒng)，帶有自己的摩托羅拉POWER PC-555處理器，含有1MB內(nèi)存和閃存。每個(gè)模塊還有一對(duì)2軸的加速度計(jì)--2個(gè)旋轉(zhuǎn)半球，一邊一個(gè)。有限的外部傳感能力目前是以觸覺(jué)傳感器(“腮須”)形式，用于報(bào)告與地面或障礙物的接觸。

3.2 基礎(chǔ)設(shè)施

多功能機(jī)器人的低層次通信是通過(guò)CAN協(xié)議來(lái)提供，其速度很快也很健壯，但是對(duì)于編程人員來(lái)說(shuō)不方便。用于通信和更高功能的軟件構(gòu)架，是所有模塊機(jī)器人極端重要的部分。面對(duì)大量平行分布計(jì)算和數(shù)量龐大的傳感器和動(dòng)作器，必須為編程人員提供一種廣泛的工具，增加工作效率。現(xiàn)已花費(fèi)了大量努力來(lái)開發(fā)這種基礎(chǔ)設(shè)施，使開發(fā)人員解放出來(lái)去解決高級(jí)別的問(wèn)題。

特別的，通信層已被大規(guī)模分布式通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（MDCN）所強(qiáng)化，[18]這就允許任意長(zhǎng)度信息以可靠方式發(fā)送到所有模塊或者動(dòng)態(tài)變化的模塊組。

MDCN的另一個(gè)重要方面是路由指令。CAN總線是一個(gè)共享協(xié)議，雖然對(duì)于少量通信個(gè)體是有效的，但也清楚地表明不能用來(lái)擴(kuò)充到整個(gè)系統(tǒng)所用的成百上千的模塊。這個(gè)問(wèn)題通過(guò)在機(jī)器人每個(gè)節(jié)點(diǎn)間劃分通信網(wǎng)絡(luò)得以解決。這就需要在每個(gè)節(jié)點(diǎn)有特殊網(wǎng)橋指令，在子網(wǎng)之間運(yùn)送數(shù)據(jù)包。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，MDCN首先運(yùn)行在一種搜索模式下，以確定在當(dāng)前配置下本地路由表，對(duì)于任何再重組，這些表將會(huì)自動(dòng)更新。在更高層上，已開發(fā)出了特性和服務(wù)模式（ASM）。ASM利用MDCN，為開發(fā)人員容易地控制由MSRR不可避免所導(dǎo)致的大量復(fù)雜系統(tǒng)提供手段。在“推”或“拉”基礎(chǔ)上，已實(shí)現(xiàn)了采用讀（原始或處理過(guò)的）“進(jìn)入”傳感器的功能。任何模塊的作動(dòng)器（電機(jī)、剎車、紅外發(fā)射器）可以由另外所有模塊加以控制。雖然沒(méi)有擴(kuò)展到實(shí)現(xiàn)全球范圍進(jìn)入傳感器或者作動(dòng)器，但是采用網(wǎng)絡(luò)分割，這是可以解決的。單個(gè)模塊可以承擔(dān)控制模塊有些邏輯組件（比如一條腿）的職責(zé)，因此整個(gè)系統(tǒng)的控制是分級(jí)的。分級(jí)的每一層摘掉了詳盡的細(xì)節(jié)，使擴(kuò)展成為可能。

3.3 高層級(jí)軟件

現(xiàn)在幾代機(jī)器人的硬件與支持軟件已成為基礎(chǔ)設(shè)施，并且已成功地得到應(yīng)用，所以更高層級(jí)的軟件開發(fā)成為了焦點(diǎn)。當(dāng)然這是一個(gè)很廣泛的領(lǐng)域，但是當(dāng)前最關(guān)鍵的2個(gè)領(lǐng)域集中在重組設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)。因?yàn)镸SRR的重要特性是可以把自己重組成不同的形狀，所以軟件必須設(shè)計(jì)這種變化。確定何種形狀最適合特定的任務(wù)和環(huán)境無(wú)疑是困難的，甚至對(duì)如何在給定的拓?fù)溟g運(yùn)動(dòng)也充滿了挑戰(zhàn)。正如在上節(jié)基礎(chǔ)設(shè)施中所提到的，對(duì)于擴(kuò)展能力的理由，因?yàn)閱我蝗蛑亟M關(guān)系到每一個(gè)不同的模塊，它并不想解決這個(gè)問(wèn)題，而模塊內(nèi)部的層級(jí)和其它提取是必須采用的。這一問(wèn)題在有些部分有深入的涉及。對(duì)于任何給定的組態(tài)，一個(gè)機(jī)器也許會(huì)有數(shù)不清的任務(wù)，但是一個(gè)基本性的重要任務(wù)就是移動(dòng)，而運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)從總的來(lái)說(shuō)就是存在的大量研究和實(shí)際算法，對(duì)于一個(gè)處于戰(zhàn)斗環(huán)境中的MSRR，情況是各不相同的。首先，移動(dòng)機(jī)制是隨著組態(tài)不同而不同（行走用腿，爬行象蛇，象環(huán)一樣滾動(dòng)，跨過(guò)籬笆等）。

另外一方面，是只用了很少的語(yǔ)言描述的不規(guī)則的地形問(wèn)題。大多數(shù)機(jī)器人工作在一個(gè)由精確控制的光滑地面、垂直墻面和“干凈”的四邊形或者圓形的2維障礙物組成的環(huán)境中，這不是一個(gè)士兵所處的世界。因此，一個(gè)由士兵所使用的機(jī)器人，其所處的世界是類似于“混亂”和不規(guī)則的。在一個(gè)不規(guī)則的環(huán)境下，還沒(méi)有一個(gè)關(guān)于障礙的明確定義。它可能會(huì)穿過(guò)一條路線下到一個(gè)小的懸崖，而不是直接爬上去。但是通過(guò)采取間接的路線，它可能到達(dá)同一懸崖的頂部，這在以前是不能實(shí)現(xiàn)的。極端狀態(tài)下，這種設(shè)計(jì)需要仔細(xì)為每一步的落腳點(diǎn)定向（而不是更有效，除非更少健壯性的重復(fù)步法）。

這種設(shè)計(jì)所需計(jì)算開銷比較大，特別是在大量模塊（=自由度）組態(tài)下。但是畢竟每個(gè)模塊有自己的處理器，所以總的可用處理能力也隨著組態(tài)的規(guī)模而得到擴(kuò)張。困難是在MSRR的并行分布構(gòu)架上正確、高效和具有健壯性地實(shí)施這些設(shè)計(jì)算法。在中已完成了對(duì)其在多功能機(jī)器人中的調(diào)查并得到解決。

目前下一步正在開展的工作是關(guān)于更長(zhǎng)路徑的設(shè)計(jì)。此種情況下，多功能機(jī)器人必須自主決定在何處改變其自身的組態(tài)，來(lái)穿越某一地形所屬的具備不同本地特點(diǎn)的各段。

4 最后分析

澳大利亞將會(huì)試圖基于其它國(guó)家開發(fā)出的傳統(tǒng)機(jī)器人開展復(fù)制和改進(jìn)，盡管一個(gè)更大的努力將會(huì)實(shí)現(xiàn)暫時(shí)的相對(duì)優(yōu)勢(shì)。為了從努力、資金和所花費(fèi)的時(shí)間中獲得巨大的戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)，呼吁采取與主流陸戰(zhàn)機(jī)器人研究不同的方法。本文所列的實(shí)例---自重組機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)這一途徑的好方法---特別是基于澳大利亞獨(dú)特的防御需求。

MSRR是：多功能、適應(yīng)多種不同和不斷變化的戰(zhàn)場(chǎng)條件、戰(zhàn)場(chǎng)可修、后勤便捷、部分損壞情況下健壯性好的一種機(jī)器人。通過(guò)制定戰(zhàn)略決策，在MSRR發(fā)展早期進(jìn)入，澳大利亞軍隊(duì)獲得了一個(gè)顯著的立足點(diǎn)，所提供的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)是其它國(guó)家所難以匹敵的，它也確保了此項(xiàng)技術(shù)，猶其對(duì)是對(duì)澳大利亞需求至關(guān)重要的部分，在被不同需求的其它國(guó)家忽略的情況下，不被忽視。

作者：克雷姆?艾爾德紹 馬克?一姆 大衛(wèi)?德夫 克門?魯法斯

編譯：知遠(yuǎn)

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