賓夕法尼亞州蘭斯福德市，一個由賓夕法尼亞州幽靈機器人公司（Penn Spinoff Ghost Robotics）制造的長腿“狗”機器人在9號礦井中導航。這些機器人被設計用來探測背包和虛擬人員等文物，以模擬真實的地下搜救任務。

本年早些時候，賓夕法尼亞大學的一批學生、博士后和教職員工前往匹茲堡附近的一個實驗礦，參加由國防高級研究計劃局（DARPA）主辦的第一輪地下（SubT）挑戰(zhàn)賽。團隊由Camillo J.Taylor領導，研究人員與賓夕法尼亞州的三產(chǎn)公司合作，建立了一個機器人團隊來導航和探索未知的地下環(huán)境。

DARPA的挑戰(zhàn)旨在激發(fā)對復雜問題的創(chuàng)新解決方案，SubT的目標是開發(fā)機器人，這些機器人可以被送到對人類來說太危險的地方，比如四個礦井之后的地鐵隧道或工人被困的礦井。然后，這些機器人可以把它看到的情況報告給一個可以留在安全地點的人，并迅速做出處理。

賓夕法尼亞州地下隧道運營實驗室團隊（簡稱PLUTO，譯稱冥王星）的成員在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中與無人機合作過，但進入地下意味著需要另一種平臺來承載重型設備，同時在狹窄的空間中航行。通過將Ghost RoboTIcs有腿的“狗”平臺與Exyn技術無人機相結合，PLUTO結合了有腿系統(tǒng)的優(yōu)勢，將先前的專業(yè)領域結合在一起。

為了成功地穿越礦井，機器人需要能夠看到周圍的情況，這樣他們可以避開障礙物，同時也可以與人類操作員分享他們看到的情況。每只狗都攜帶一個光探測和排序設備，該設備使用激光創(chuàng)建一個三維地圖，立體RGB相機查看偽影，熱相機檢測熱信號，以及一臺機載計算機處理數(shù)據(jù)。

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

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

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

今年早些時候，冥王星曾在賓夕法尼亞州蘭斯福德的9號煤礦和博物館以及科羅拉多礦業(yè)學院的實驗礦呆過一段時間，觀察它們的自動化系統(tǒng)在地下的表現(xiàn)。經(jīng)過幾個月的準備，在八月份的第一輪挑戰(zhàn)賽中，他們在匹茲堡附近的一個試驗礦與另外十支隊伍進行了對決。

每個小組完成了兩個地雷課程，并在每個課程中嘗試了兩次尋找物品，包括背包、手機、滅火器和虛擬人員，時間限制為一小時。沒有一名隊員被允許進入礦井，只有米勒被允許在收集數(shù)據(jù)時與機器人互動。

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

小組在SubT挑戰(zhàn)賽的準備場地，

圖源：Shrevas Shivakumar

同樣在Ghost RoboTIcs公司工作的碩士生Adarsh Kulkarni說，他對這些狗的機械穩(wěn)定性以及它們在多次摔倒后的表現(xiàn)感到滿意?！薄斑@是迄今為止我們運行機器人最困難的一次，也是他們所處的最惡劣環(huán)境?！?/p>

“他們每天都要挨打，第二天早上還在工作，”Shivakumar開玩笑的補充道。“這真是值得稱贊。”盡管他們的一些設計已經(jīng)過度適合9號機器人的挑戰(zhàn)，包括為窄的、有紋理的墻壁設計的傳感器，而SubT的墻壁更寬、更光滑，但經(jīng)驗直接向團隊展示了設計用于未知環(huán)境的機器人是多么困難，是在新環(huán)境中測試機器人的難得機會。”“這與正常的學術工作流程有很大不同，”米勒說從一個算法到在一個你從未見過的地方工作的東西，是完全不同的問題?！?/p>

機器人技術中的這“最后10%”使自動化系統(tǒng)變得健壯可靠，這是一個挑戰(zhàn)，通常是通過結合最先進的技術和實用的觀點來解決的。有時這些系統(tǒng)本身并不新穎，但新穎之處在于它們在未經(jīng)測試的環(huán)境中的實現(xiàn)新奇之處在于如何解決所有這些問題，使機器人在惡劣的環(huán)境中可靠工作。”

該團隊仍在討論他們未來幾輪的SubT計劃，下一輪將在2月份在城市環(huán)境中進行，這意味著更多的人造結構和形狀，如銳角、平滑的墻壁和樓梯不管未來會發(fā)生什么，創(chuàng)造機器人并將其送入充滿挑戰(zhàn)的現(xiàn)實環(huán)境對于賓夕法尼亞大學和整個機器人技術領域的進步都是至關重要的，特別是對于未來，自動化系統(tǒng)可能承擔從駕駛汽車到搜尋幸存者等一系列具有挑戰(zhàn)性的任務。

賓夕法尼亞州通用機器人、自動化、傳感和感知實驗室的研究人員完全有能力應對這些挑戰(zhàn)，這在一定程度上要歸功于鼓勵協(xié)作和交流的文化?！薄斑@是我們灌輸給每一個走進我們的設施，”泰勒說如果你不擔心有一個項目只適合你的專業(yè)領域，如果你愿意對自己的想法有更廣泛的了解，它會讓你做更大的事情?！?/p>