3 多功能机器人

在这一节中，将会讨论一种特殊的MSRR应用。MSRR多功能机器人由位于美国加州的帕罗奥托研究中心设计和制造。目前已发展了2代和几个小的变种。第3代，作为显著改进的一代此时（2002年5月）正处于建造的最后阶段。

尽管多模块机器人系统在多种使用环境下，已经大量建造，但是多功能机器人是其中最早的，也是世界上最为成熟的。第1代多功能机器人被确信开创了世界上可以实现变形和以2种截然不同方式移动的机器人的先河。

尽管MSRR提供了许多优点，有些也在前面小节中讨论过了，但同时它们也带来了许多独特的挑战。这里有一系列关于多功能机器人设计、控制和应用的出版物，这一节将对这些材料进行简要概括。

3.1 硬件

目前多功能机器人的版本由2种模块组成。分段是厘米级的立方体，具有1个自由度和2个联接面。节点是大一点的立方体，不能移动，但是有6个联接面。每个联接面充当雌雄联接装置，允许任何一面在4个方向上与其它面联接。（也就是说旋转是允许的）。机械联接是通过4条开槽的插针与配套的插孔来完成的，由赋形的记忆合金动作器控制闭锁装置。每个面有4重电气联接的冗余设计，都带有电源和通信装置。每个插针上的力传感器允许机器人确定模块间存在的力/力矩的大小。

分段的单个自由度是旋转。2个相互联接的面可以通过相互间旋转来实现运动。旋转控制是由无刷直流电机通过一个轴承传动。有一个方向可控的刹车（或者棘轮），允许模块在给定方向上制动。采用这种刹车具有很多优点。最主要的是在不失去刚性的情况下，通过经常关闭电源可以大量减少电量消耗。更大的优点体现在当多功能机器人在抑制一个或多个环路而被配置时。通过利用刹车和由环路拓扑引发的独特性，也许可以得到接近无限的机械优点。

每个相互联接的面有4个红外发射/检测偶。当2个模块的联接面靠近时（例如2个模块被命令相互间对接），它们允许机器人在6维上（3个旋转、3个位移）检测2个模块的相对位置。

除了电源，每个模块是一个完全独立的系统，带有自己的摩托罗拉POWER PC-555处理器，含有1MB内存和闪存。每个模块还有一对2轴的加速度计--2个旋转半球，一边一个。有限的外部传感能力目前是以触觉传感器(“腮须”)形式，用于报告与地面或障碍物的接触。

3.2 基础设施

多功能机器人的低层次通信是通过CAN协议来提供，其速度很快也很健壮，但是对于编程人员来说不方便。用于通信和更高功能的软件构架，是所有模块机器人极端重要的部分。面对大量平行分布计算和数量庞大的传感器和动作器，必须为编程人员提供一种广泛的工具，增加工作效率。现已花费了大量努力来开发这种基础设施，使开发人员解放出来去解决高级别的问题。

特别的，通信层已被大规模分布式通信网络协议（MDCN）所强化，[18]这就允许任意长度信息以可靠方式发送到所有模块或者动态变化的模块组。

MDCN的另一个重要方面是路由指令。CAN总线是一个共享协议，虽然对于少量通信个体是有效的，但也清楚地表明不能用来扩充到整个系统所用的成百上千的模块。这个问题通过在机器人每个节点间划分通信网络得以解决。这就需要在每个节点有特殊网桥指令，在子网之间运送数据包。为了实现这一功能，MDCN首先运行在一种搜索模式下，以确定在当前配置下本地路由表，对于任何再重组，这些表将会自动更新。在更高层上，已开发出了特性和服务模式（ASM）。ASM利用MDCN，为开发人员容易地控制由MSRR不可避免所导致的大量复杂系统提供手段。在“推”或“拉”基础上，已实现了采用读（原始或处理过的）“进入”传感器的功能。任何模块的作动器（电机、刹车、红外发射器）可以由另外所有模块加以控制。虽然没有扩展到实现全球范围进入传感器或者作动器，但是采用网络分割，这是可以解决的。单个模块可以承担控制模块有些逻辑组件（比如一条腿）的职责，因此整个系统的控制是分级的。分级的每一层摘掉了详尽的细节，使扩展成为可能。

3.3 高层级软件

现在几代机器人的硬件与支持软件已成为基础设施，并且已成功地得到应用，所以更高层级的软件开发成为了焦点。当然这是一个很广泛的领域，但是当前最关键的2个领域集中在重组设计和运动设计。因为MSRR的重要特性是可以把自己重组成不同的形状，所以软件必须设计这种变化。确定何种形状最适合特定的任务和环境无疑是困难的，甚至对如何在给定的拓扑间运动也充满了挑战。正如在上节基础设施中所提到的，对于扩展能力的理由，因为单一全球重组关系到每一个不同的模块，它并不想解决这个问题，而模块内部的层级和其它提取是必须采用的。这一问题在有些部分有深入的涉及。对于任何给定的组态，一个机器也许会有数不清的任务，但是一个基本性的重要任务就是移动，而运动设计从总的来说就是存在的大量研究和实际算法，对于一个处于战斗环境中的MSRR，情况是各不相同的。首先，移动机制是随着组态不同而不同（行走用腿，爬行象蛇，象环一样滚动，跨过篱笆等）。

另外一方面，是只用了很少的语言描述的不规则的地形问题。大多数机器人工作在一个由精确控制的光滑地面、垂直墙面和“干净”的四边形或者圆形的2维障碍物组成的环境中，这不是一个士兵所处的世界。因此，一个由士兵所使用的机器人，其所处的世界是类似于“混乱”和不规则的。在一个不规则的环境下，还没有一个关于障碍的明确定义。它可能会穿过一条路线下到一个小的悬崖，而不是直接爬上去。但是通过采取间接的路线，它可能到达同一悬崖的顶部，这在以前是不能实现的。极端状态下，这种设计需要仔细为每一步的落脚点定向（而不是更有效，除非更少健壮性的重复步法）。

这种设计所需计算开销比较大，特别是在大量模块（=自由度）组态下。但是毕竟每个模块有自己的处理器，所以总的可用处理能力也随着组态的规模而得到扩张。困难是在MSRR的并行分布构架上正确、高效和具有健壮性地实施这些设计算法。在中已完成了对其在多功能机器人中的调查并得到解决。

目前下一步正在开展的工作是关于更长路径的设计。此种情况下，多功能机器人必须自主决定在何处改变其自身的组态，来穿越某一地形所属的具备不同本地特点的各段。

4 最后分析

澳大利亚将会试图基于其它国家开发出的传统机器人开展复制和改进，尽管一个更大的努力将会实现暂时的相对优势。为了从努力、资金和所花费的时间中获得巨大的战略优势，呼吁采取与主流陆战机器人研究不同的方法。本文所列的实例---自重组机器人是实现这一途径的好方法---特别是基于澳大利亚独特的防御需求。

MSRR是：多功能、适应多种不同和不断变化的战场条件、战场可修、后勤便捷、部分损坏情况下健壮性好的一种机器人。通过制定战略决策，在MSRR发展早期进入，澳大利亚军队获得了一个显著的立足点，所提供的竞争优势是其它国家所难以匹敌的，它也确保了此项技术，犹其对是对澳大利亚需求至关重要的部分，在被不同需求的其它国家忽略的情况下，不被忽视。

作者：克雷姆•艾尔德绍 马克•一姆 大卫•德夫 克门•鲁法斯

编译：知远

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