賓夕法尼亞州蘭斯福德市，一個(gè)由賓夕法尼亞州幽靈機(jī)器人公司（Penn Spinoff Ghost Robotics）制造的長(zhǎng)腿“狗”機(jī)器人在9號(hào)礦井中導(dǎo)航。這些機(jī)器人被設(shè)計(jì)用來(lái)探測(cè)背包和虛擬人員等文物，以模擬真實(shí)的地下搜救任務(wù)。

本年早些時(shí)候，賓夕法尼亞大學(xué)的一批學(xué)生、博士后和教職員工前往匹茲堡附近的一個(gè)實(shí)驗(yàn)礦，參加由國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）主辦的第一輪地下（SubT）挑戰(zhàn)賽。團(tuán)隊(duì)由Camillo J.Taylor領(lǐng)導(dǎo)，研究人員與賓夕法尼亞州的三產(chǎn)公司合作，建立了一個(gè)機(jī)器人團(tuán)隊(duì)來(lái)導(dǎo)航和探索未知的地下環(huán)境。

DARPA的挑戰(zhàn)旨在激發(fā)對(duì)復(fù)雜問(wèn)題的創(chuàng)新解決方案，SubT的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)機(jī)器人，這些機(jī)器人可以被送到對(duì)人類(lèi)來(lái)說(shuō)太危險(xiǎn)的地方，比如四個(gè)礦井之后的地鐵隧道或工人被困的礦井。然后，這些機(jī)器人可以把它看到的情況報(bào)告給一個(gè)可以留在安全地點(diǎn)的人，并迅速做出處理。

賓夕法尼亞州地下隧道運(yùn)營(yíng)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)（簡(jiǎn)稱(chēng)PLUTO，譯稱(chēng)冥王星）的成員在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中與無(wú)人機(jī)合作過(guò)，但進(jìn)入地下意味著需要另一種平臺(tái)來(lái)承載重型設(shè)備，同時(shí)在狹窄的空間中航行。通過(guò)將Ghost Robotics有腿的“狗”平臺(tái)與Exyn技術(shù)無(wú)人機(jī)相結(jié)合，PLUTO結(jié)合了有腿系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，將先前的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域結(jié)合在一起。

為了成功地穿越礦井，機(jī)器人需要能夠看到周?chē)那闆r，這樣他們可以避開(kāi)障礙物，同時(shí)也可以與人類(lèi)操作員分享他們看到的情況。每只狗都攜帶一個(gè)光探測(cè)和排序設(shè)備，該設(shè)備使用激光創(chuàng)建一個(gè)三維地圖，立體RGB相機(jī)查看偽影，熱相機(jī)檢測(cè)熱信號(hào)，以及一臺(tái)機(jī)載計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)。

冥王星的機(jī)器人還需要有能力決定下一步要去哪里，識(shí)別人工物，并將信息傳遞給其他狗和礦井外的人類(lèi)。博士生安東尼·考利（Anthony Cowley）開(kāi)發(fā)的程序用于根據(jù)傳感器采集的圖像生成機(jī)器人的位置地圖，而背包和手機(jī)等文物則使用博士生什里亞斯·希瓦庫(kù)馬爾開(kāi)發(fā)的程序進(jìn)行檢測(cè)。

由于無(wú)線(xiàn)電波無(wú)法穿越厚厚的洞穴墻壁，地下通信尤其具有挑戰(zhàn)性。由碩士生費(fèi)爾南多·克拉德拉領(lǐng)導(dǎo)，冥王星的策略是創(chuàng)建一個(gè)“bucket brigade”系統(tǒng)，讓機(jī)器人彼此共享數(shù)據(jù)。這樣，如果一個(gè)機(jī)器人不能回到入口，它收集的數(shù)據(jù)仍然可以被其他狗傳送到基站。

將所有這些能力結(jié)合在一起需要高度的自主性，以允許機(jī)器人在沒(méi)有人類(lèi)直接輸入的情況下規(guī)劃其探索策略。博士生伊恩·米勒領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)工作，并幫助確保所有傳感器、硬件和算法協(xié)同工作。

今年早些時(shí)候，冥王星曾在賓夕法尼亞州蘭斯福德的9號(hào)煤礦和博物館以及科羅拉多礦業(yè)學(xué)院的實(shí)驗(yàn)礦呆過(guò)一段時(shí)間，觀(guān)察它們的自動(dòng)化系統(tǒng)在地下的表現(xiàn)。經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的準(zhǔn)備，在八月份的第一輪挑戰(zhàn)賽中，他們?cè)谄テ澅じ浇囊粋€(gè)試驗(yàn)礦與另外十支隊(duì)伍進(jìn)行了對(duì)決。

每個(gè)小組完成了兩個(gè)地雷課程，并在每個(gè)課程中嘗試了兩次尋找物品，包括背包、手機(jī)、滅火器和虛擬人員，時(shí)間限制為一小時(shí)。沒(méi)有一名隊(duì)員被允許進(jìn)入礦井，只有米勒被允許在收集數(shù)據(jù)時(shí)與機(jī)器人互動(dòng)。

雖然他們的機(jī)器人沒(méi)有發(fā)現(xiàn)希望的那么多的人造物，冥王星團(tuán)隊(duì)對(duì)這個(gè)系統(tǒng)在如此具有挑戰(zhàn)性和未知環(huán)境中的表現(xiàn)感到滿(mǎn)意。工作良好的組件包括狗如何探測(cè)和探索隧道，它們識(shí)別物體的能力，以及通過(guò)“bucket brigade”共享數(shù)據(jù)失靈的狗提供了幾項(xiàng)檢測(cè)，顯示了它們的系統(tǒng)即使在個(gè)別機(jī)器人絆倒的情況下也是如何恢復(fù)的。

小組在SubT挑戰(zhàn)賽的準(zhǔn)備場(chǎng)地，

圖源：Shrevas Shivakumar

同樣在Ghost Robotics公司工作的碩士生Adarsh Kulkarni說(shuō)，他對(duì)這些狗的機(jī)械穩(wěn)定性以及它們?cè)诙啻嗡さ购蟮谋憩F(xiàn)感到滿(mǎn)意。”“這是迄今為止我們運(yùn)行機(jī)器人最困難的一次，也是他們所處的最?lèi)毫迎h(huán)境?！?/p>

“他們每天都要挨打，第二天早上還在工作，”Shivakumar開(kāi)玩笑的補(bǔ)充道。“這真是值得稱(chēng)贊?！北M管他們的一些設(shè)計(jì)已經(jīng)過(guò)度適合9號(hào)機(jī)器人的挑戰(zhàn)，包括為窄的、有紋理的墻壁設(shè)計(jì)的傳感器，而SubT的墻壁更寬、更光滑，但經(jīng)驗(yàn)直接向團(tuán)隊(duì)展示了設(shè)計(jì)用于未知環(huán)境的機(jī)器人是多么困難，是在新環(huán)境中測(cè)試機(jī)器人的難得機(jī)會(huì)?！薄斑@與正常的學(xué)術(shù)工作流程有很大不同，”米勒說(shuō)從一個(gè)算法到在一個(gè)你從未見(jiàn)過(guò)的地方工作的東西，是完全不同的問(wèn)題?！?/p>

機(jī)器人技術(shù)中的這“最后10%”使自動(dòng)化系統(tǒng)變得健壯可靠，這是一個(gè)挑戰(zhàn)，通常是通過(guò)結(jié)合最先進(jìn)的技術(shù)和實(shí)用的觀(guān)點(diǎn)來(lái)解決的。有時(shí)這些系統(tǒng)本身并不新穎，但新穎之處在于它們?cè)谖唇?jīng)測(cè)試的環(huán)境中的實(shí)現(xiàn)新奇之處在于如何解決所有這些問(wèn)題，使機(jī)器人在惡劣的環(huán)境中可靠工作?！?/p>

該團(tuán)隊(duì)仍在討論他們未來(lái)幾輪的SubT計(jì)劃，下一輪將在2月份在城市環(huán)境中進(jìn)行，這意味著更多的人造結(jié)構(gòu)和形狀，如銳角、平滑的墻壁和樓梯不管未來(lái)會(huì)發(fā)生什么，創(chuàng)造機(jī)器人并將其送入充滿(mǎn)挑戰(zhàn)的現(xiàn)實(shí)環(huán)境對(duì)于賓夕法尼亞大學(xué)和整個(gè)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步都是至關(guān)重要的，特別是對(duì)于未來(lái)，自動(dòng)化系統(tǒng)可能承擔(dān)從駕駛汽車(chē)到搜尋幸存者等一系列具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

賓夕法尼亞州通用機(jī)器人、自動(dòng)化、傳感和感知實(shí)驗(yàn)室的研究人員完全有能力應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，這在一定程度上要?dú)w功于鼓勵(lì)協(xié)作和交流的文化?！薄斑@是我們灌輸給每一個(gè)走進(jìn)我們的設(shè)施，”泰勒說(shuō)如果你不擔(dān)心有一個(gè)項(xiàng)目只適合你的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，如果你愿意對(duì)自己的想法有更廣泛的了解，它會(huì)讓你做更大的事情。”

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