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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(dǎo)航。這些機器人被設(shè)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(wù)。
本年早些時候，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(lǐng)導(dǎo)，研究人員與賓夕法尼亞州的三產(chǎn)公司合作，建立了一個機器人團隊來導(dǎo)航和探索未知的地下環(huán)境。
DARPA的挑戰(zhàn)旨在激發(fā)對復(fù)雜問題的創(chuàng)新解決方案，SubT的目標(biāo)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(jìn)入地下意味著需要另一種平臺來承載重型設(shè)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(shù)無人機相結(jié)合，PLUTO結(jié)合了有腿系統(tǒng)的優(yōu)勢，將先前的專業(yè)領(lǐng)域結(jié)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(shè)備，該設(shè)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(jìn)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(lǐng)導(dǎo)，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(jié)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(lǐng)導(dǎo)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(xué)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(zhǔn)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(jìn)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(jìn)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(fù)的。
小組在SubT挑戰(zhàn)賽的準(zhǔn)備場地，
圖源：Shrevas Shivakumar
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?！?
“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(shè)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(shè)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(shè)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?！薄斑@與正常的學(xué)術(shù)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。”
機器人技術(shù)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(jié)合最先進(jìn)的技術(shù)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(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(xué)和整個機器人技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步都是至關(guān)重要的，特別是對于未來，自動化系統(tǒng)可能承擔(dān)從駕駛汽車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器人、自動化、傳感和感知實驗室的研究人員完全有能力應(yīng)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(jìn)我們的設(shè)施，”泰勒說如果你不擔(dān)心有一個項目只適合你的專業(yè)領(lǐng)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。”
