PackBot:战场上的百变“背包”

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  IRobot公司曾是一家以开发、生产小型家用机器人为主的公司,在美国发动对伊拉克反恐战争后,该公司敏锐地嗅到战争对小型军用机器人的巨大需求,遂开始了军用机器人的开发。公司开发的PackBot系列小型机器人满足了军方的需求,从而IRobot公司迅速成为最成功的军用机器人制造商之一。如今,共有约2500台PackBot系列机器人活跃在美国三军中,Pack-Bot也由最初型号发展到最新的510型,伊、阿战场上的第82空降师、第101空中突击师以及各军种特种部队都在广泛使用各种型号的PackBot,用以处置简易爆炸装置、遂行室内侦察和搜寻可疑物品等任务。该款机器人功能全面、外形小巧,加之质量较轻,因此美国大兵们也将之昵称为“背包”。
  
  名副其实的“背包”
  
  当初,IRobot公司为缩短研发时间、减少风险,大量采用成熟的结构框架和商用现货组件,从而造就了PackBot的简单结构。
  PackBot的结构主体就是它的履带式底盘,其控制系统和模块负载区则位于履带之间的区域。其主体框架非常小巧,动力系统为小型静音电动马达,由车载电池供电,电池模块位于主履带间的空隙处,可更换。以配备爆炸物拆除机械臂(EOD套件)的PackBot系列最新型——510型为例,其主要诸元:携带两块电池时系统总质量为30.8kg(平台自身质量约18kg),前置履带不展开时系统总长为8icm(展开180度角后长102cm)、卸下前置履带后系统宽41cm(带前置履带时宽52cm)、机械臂处于收缩状态时高41cm(完全展开后最高为221cm)。
  在结构设计上,PackBot的最大亮点是两只履带主动轮外侧附配有可拆卸式前置履带。这两截可拆卸式前置覆带并非标新立异,而是针对PackBot本身尺寸较小的特点特意设计的,它对提高底盘的越障能力、增大主履带的拖曳力都很有帮助。PackBot的另一设计巧妙之处在于其搭载的负载模块多采用肘节式设计,携带时可以折叠收放在两履带之间。PackBot的电池模块采用低成本的镍铬可充电电池组。根据PackBot所执行任务的性质,标配的两块电池可使用2~12小时,如果需要延长任务时间,还可再加装两块电池,使续航时间达到4~24小时。
  PackB0t的机械臂总长达203cm,全伸展时可举起4.5kg的重物,最大限度可抬举13.6kg的重物。全臂4个肘节共有8个独立的自由关节,分别为:肩部万向转轴(与底盘相连)、肩部轴(0~220度旋转)、肘节1、肘节2(两者皆可在0~340度间旋转)、万向机械爪、机械爪夹头(0~180度开合)、万向爪夹头和爪夹头斜面(0~220度开合)。全系统共配有4个摄像头,分别用于完成行驶监控、任务操作监控。它的行驶监控由1个广角单色低光CCD负责,安装在底盘下部,俯仰角达220度,既可向上监控机械臂运作,也可向下详查车体前地面状况;操作监控由1个安装在机械臂端、具有12倍变焦能力的彩色CCD和两个安装在其他位置的辅助CCD构成,通过它们可多角度、多方位地观察机械爪的动作。
  PackBot的越障能力也值得称道。PackBot“身材”短小,质心很低,其他一些大型无人平台所难以克服的宽沟、斜面和陡坡,对PackBot来说完全不成问题。其道理就像马匹遇到无法越过的宽沟时只得绕道而行,而蚂蚁却能无视障碍的存在,直接从沟底爬过一样。而且,在攀爬超过60度以上的斜坡时,PackBot的前置履带会调整到与主履带重合的位置,由于两套履带同轴,转动方向也相同,接地面积的增大强化了PackBot的爬坡能力。而对于更陡的斜坡,IRobot公司还为PackBot配备了爬坡专用履带,该履带的齿廓更粗大,应付爬坡更为轻松自如。
  当然对于身材短小的机器人来说,其他大型平台丝毫不构成障碍的台阶、矮墙等,这类机器人就难以逾越了。在这种情况下,PackBot特有的前置履带再次发挥作用——当前置履带向前伸展开与主履带形成一定角度后,就能使机器人攀上一定高度的垂直障碍。比如,遇到较高的台阶时,PackBot前置履带会向前展开搭上台阶边沿,在前后两副履带的共同驱动下,就能翻过高阶。当然,PackBot翻爬台阶的高度存在上限,根据它的翻越原理可轻易得出它的高限就是其前置履带的长度,即30cm左右。
  PackBot最大弊端是时速也较低,在平地时速只有14km,遇到危险时,多半只能“杀身成仁”了。
  
  多用途机器人
  
  自2003年第一台PackBot机器人正式服役以来,PackBot取得了巨大的商业成功。如今,IRobot公司为PackBot配备了几十种不同的配件、组件,除去一些比较常用的组件,如传感器、机械臂外,有些组件可能是第一次装配在战场机器人上,比如,轻武器系统上常用的皮卡汀尼导轨。通过导轨,操作人员便可将战术灯、额外的传感器、粉碎玻璃或薄混凝土层的钻头以及激光指示装置之类的小附件装配到PackBot上。这是考虑到PackBot可以通过通风管道、下水道系统进入建筑物内部,或进入恐怖分子隐匿的坑道内进行侦察时,通过机械臂上的皮卡汀尼导轨加装各种附件可扩大其功能范围。
  综观PackBot的各类配件,几乎可把PackBot打造成小型机器人中的“瑞士军刀”——具有超多功能,但归纳起来,PackBot的主要用途不外乎爆炸物探测与清除、危险物质侦测、侦察探测并制图这三种。
  爆炸物探测与清除 以往,要确定一片雷场中所埋设地雷的确切位置,需要大规模动用工兵部队,采取手工排雷作业,既危险又费时费力。在环境更为恶劣的反恐战场上,探知、清除爆炸物则更加不易。正是在此背景下,美国国防部先进技术规划署早在2002年就启动了一项名为“狗鼻子”的工程项目,由麻省理工学院开发新机理的爆炸物快速探测、定位装置。项目小组很快便开发出Fido传感器,军方将其部署到Pack—Bot平台上,用于爆炸物探测。
  Fido传感器的工作原理很简单,就是利用爆炸物(主要是TNT)会不断挥发出痕景(化学上指极小的量,少得只有一点痕迹——编者注)爆炸物蒸气分子的特性而进行探测。Fido传感器的核心是麻省理工学院开发的荧光聚合物材料,这种物质对主要爆炸物分子非常敏感。简单说,当自然光线照射到聚合物后,它会受激自发辐射出人眼看得到的荧光。如果此时空气中存在着痕量TNT分子,就会被“吸引”而覆盖到聚合物表面,阻断聚合物受光照后的自发辐射过程,就不会有荧光产生。配合高灵敏度探测记录仪,Fido传感器便可根据荧光强度所表示的TNT痕量分子
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