北京軍事智能技術(shù)裝備博覽會(huì)的地面無(wú)人裝備區(qū),鐵獒的展臺(tái)前圍了不少人。央視《正午國(guó)防軍事》記者的鏡頭掃過(guò)去,這臺(tái)機(jī)器比旁邊的影獒大一圈。最引人注意的不是它的尺寸,而是它的腿。四條腿的末端裝了輪式運(yùn)動(dòng)模塊。
這不是簡(jiǎn)單的“給狗穿上輪滑鞋”。
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純足式機(jī)器人和純輪式機(jī)器人各有各的短板,也各有各的長(zhǎng)處。輪式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,機(jī)械效率高,在平坦地面上跑得快、省電。但它怕障礙。一堵矮墻、一級(jí)臺(tái)階、一堆瓦礫,輪式就過(guò)不去了。足式正好相反。它能翻越各種復(fù)雜地形,臺(tái)階、溝壑、碎石都不在話(huà)下。但足式行走的能耗遠(yuǎn)高于輪式,速度也上不去。
早期的軍用四足機(jī)器人,幾乎都是純足式。工程師們追求的是仿生的完整度,讓機(jī)器像真正的狗一樣走路、跑步、跳躍。這種思路在學(xué)術(shù)研究中有價(jià)值,在實(shí)戰(zhàn)中卻遇到問(wèn)題。戰(zhàn)場(chǎng)不是實(shí)驗(yàn)室。士兵不會(huì)為了照顧機(jī)器人的能耗而放慢行軍速度。如果機(jī)器狗跟不上,或者跑了一會(huì)兒就沒(méi)電了,士兵寧愿自己背東西。
鐵獒的“輪足式”結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)工程上的折中方案。平地行駛時(shí),輪子著地,以輪式模式運(yùn)動(dòng)。這時(shí)候能耗低、速度快,最高可達(dá)45到50公里每小時(shí),比人跑步還快。遇到臺(tái)階、戰(zhàn)壕、瓦礫堆,系統(tǒng)自動(dòng)切換足式步態(tài),用腿翻越障礙。北京軍博會(huì)現(xiàn)場(chǎng)披露的數(shù)據(jù)是:助跑跳躍能跨1.6米寬的戰(zhàn)壕,原地起跳高度80厘米。
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這些數(shù)字不是隨便說(shuō)說(shuō)的。城市巷戰(zhàn)中常見(jiàn)的壕溝寬度在1到2米之間,矮墻高度在0.5到1米之間。1.6米的跨越能力和80厘米的起跳高度,意味著鐵獒能翻越絕大多數(shù)城市環(huán)境中的障礙。它不是只能在訓(xùn)練場(chǎng)上走平路的實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品,是為實(shí)戰(zhàn)設(shè)計(jì)的。
輪足切換的技術(shù)難度遠(yuǎn)超想象,兩種運(yùn)動(dòng)模式需在極短時(shí)間內(nèi)完成轉(zhuǎn)換,且需提前感知地形、預(yù)判切換時(shí)機(jī),這涉及環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)控制等多個(gè)模塊的協(xié)同。如果機(jī)器跑到障礙物跟前才切換,可能已經(jīng)來(lái)不及了。它需要提前感知前方地形,判斷是否需要切換,然后在合適的時(shí)間點(diǎn)執(zhí)行。
鐵獒能做到這一點(diǎn),說(shuō)明它在感知和決策層面已經(jīng)比較成熟。整機(jī)配備了激光測(cè)距儀、白光高清攝像、紅外夜視攝像以及360度全景激光雷達(dá)。這些傳感器共同構(gòu)建了一個(gè)實(shí)時(shí)的環(huán)境模型。系統(tǒng)基于這個(gè)模型判斷前方地形,決定用輪子還是用腿。
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除了輪足復(fù)合結(jié)構(gòu),鐵獒還有一個(gè)設(shè)計(jì)容易被忽略:載人通行能力。央視專(zhuān)題探訪素材中提到“可實(shí)現(xiàn)載人通行”。這意味著它的底盤(pán)承重能力足夠強(qiáng),可以搭載一名全副武裝的士兵。這個(gè)功能在特定場(chǎng)景下很有用。傷員撤離、快速機(jī)動(dòng)、跨越障礙,都可以派上用場(chǎng)。
從工程角度看,輪足復(fù)合結(jié)構(gòu)解決的是四足機(jī)器人最大的痛點(diǎn):能耗與通過(guò)性的矛盾。
純足式機(jī)器人每走一步,都要消耗能量來(lái)抬腿、邁步、落地、支撐。膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的電機(jī)頻繁啟停,效率很低。輪式就不同了。輪子滾動(dòng)時(shí),只有一個(gè)接觸點(diǎn),摩擦力小,能量損失少。在平坦地面上,輪式的能耗只有足式的幾分之一。
但戰(zhàn)場(chǎng)不可能永遠(yuǎn)是平坦的。巷戰(zhàn)環(huán)境中,路面被炸得坑坑洼洼,到處是建筑垃圾。這種情況下,輪式的優(yōu)勢(shì)完全發(fā)揮不出來(lái),強(qiáng)行行駛反而會(huì)卡住或翻倒。足式卻能從容應(yīng)對(duì)。鐵獒的思路很清楚:什么地方用什么方式。用最節(jié)能的方式走最遠(yuǎn)的路,用最可靠的方式翻最難的障礙。
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這個(gè)設(shè)計(jì)思路反映了一個(gè)更普遍的趨勢(shì)。地面無(wú)人平臺(tái)正在從“實(shí)驗(yàn)室炫技”走向“實(shí)戰(zhàn)實(shí)用”。工程師們不再追求純足式的“仿生完整度”,而是以完成任務(wù)為第一目標(biāo)。該加輪子就加輪子,該裝履帶就裝履帶。沒(méi)人規(guī)定四足機(jī)器人只能用四條腿走路。
鐵獒不是唯一采用輪足復(fù)合結(jié)構(gòu)的平臺(tái)。波士頓動(dòng)力的Handle機(jī)器人也用了類(lèi)似思路,但它更多用于物流搬運(yùn),不是軍事任務(wù)。我國(guó)在該領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)在于,有明確的軍方需求牽引。軍方要什么,企業(yè)造什么。需求和供給之間的反饋循環(huán)比任何國(guó)家都快。
從技術(shù)成熟度看,輪足復(fù)合結(jié)構(gòu)已經(jīng)可以進(jìn)入小批量部署階段。北京軍博會(huì)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員透露的1到2年迭代時(shí)間表,目標(biāo)是進(jìn)一步提升載重、續(xù)航、通過(guò)性和跳躍能力。這些增量指標(biāo)的提升,在工程上屬于正常迭代節(jié)奏。沒(méi)有顛覆性的技術(shù)難題需要攻克,主要是在現(xiàn)有架構(gòu)上優(yōu)化。
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但有一個(gè)問(wèn)題需要持續(xù)關(guān)注:可靠性。輪足切換機(jī)構(gòu)的機(jī)械復(fù)雜度遠(yuǎn)高于純輪式或純足式。每多一個(gè)活動(dòng)部件,故障率就上升一個(gè)數(shù)量級(jí)。在實(shí)驗(yàn)室里跑幾百個(gè)小時(shí)沒(méi)問(wèn)題,在戰(zhàn)場(chǎng)上沾了泥、進(jìn)了沙、挨了沖擊,還能不能可靠切換?這需要大量實(shí)戰(zhàn)化測(cè)試才能驗(yàn)證。
另一個(gè)問(wèn)題是維護(hù)性。步兵班的士兵不是工程師。他們沒(méi)有專(zhuān)業(yè)工具,也不懂復(fù)雜的機(jī)械原理。機(jī)器獒如果壞在戰(zhàn)場(chǎng)上,士兵能不能自己修?還是必須后送?如果必須后送,那它在持續(xù)作戰(zhàn)中的價(jià)值就要打折扣。
這些問(wèn)題目前沒(méi)有現(xiàn)成的答案。但方向是對(duì)的。輪足復(fù)合結(jié)構(gòu)解決了四足機(jī)器人“慢”和“短”的先天缺陷。一旦速度上去了,續(xù)航延長(zhǎng)了,它就能真正跟上班組的行軍節(jié)奏。到那時(shí)候,不是士兵等機(jī)器人,而是機(jī)器人等士兵。
鐵獒的亮相表明,我國(guó)在無(wú)人地面平臺(tái)工程化領(lǐng)域已形成顯著優(yōu)勢(shì)。不是因?yàn)樗卸嗫幔且驗(yàn)樗鉀Q了實(shí)際問(wèn)題。平地快、障礙能翻,這個(gè)簡(jiǎn)單的要求,讓工程師們折騰了好幾年。現(xiàn)在終于拿出了可以實(shí)戰(zhàn)部署的方案。
接下來(lái)的看點(diǎn)是:輪足復(fù)合結(jié)構(gòu)能否經(jīng)受住極端環(huán)境的考驗(yàn)。高低溫、沙塵、潮濕、沖擊振動(dòng),每一項(xiàng)都是對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的嚴(yán)苛測(cè)試。如果這些問(wèn)題都能解決,鐵獒就有機(jī)會(huì)從展臺(tái)走向真正的戰(zhàn)場(chǎng)。
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