狹窄空間難探測？靈巧智慧“機器鼠”大顯身手

城市的地面上，湧動的人潮往來交通、奔波生活、熙熙攘攘；但鮮有人關注過，在地面之下，狹小的管網互動系統星羅棋佈，織出了城市的動力脈絡。燃氣、水電、熱力、通訊，管道網路不捨晝夜地向城市泵送著生命力。這根緊繃的弦一旦斷裂——燃氣爆炸、通訊中斷，對城市發展造成的損失難以估量。以人力對狹小空間開展探測極為困難，在自然災害來襲時，更是十分兇險。

“在特殊狹小空間內部署機器人進行探測，這在國際機器人技術領域中還是一片空白。”來自北京理工大學機電學院的本科生許毅，正和他的團隊一起在這片無人區“墾荒”。他們的靈感，來自一種機敏狡黠的生物——老鼠。

“靈微智探”團隊自2019年起開始關注微小型仿生機器人技術領域。“在此之前，我所在的實驗室對於輪式機器鼠有著豐富的研究經驗，但行走機構上仍然與真實鼠存在著差距，仿生程度不夠高。”

團隊調研了國際機器人領域內先進的“機器狗”，認為其有很高的技術水平和廣闊的應用場景，但難以在諸如管道等狹窄空間內進行運動和作業。他們以敏銳的眼光鎖定狹窄空間探測問題，用科技智慧為方寸內的難題帶來破局之策。

“靈微智探”團隊考察了狹窄空間的多工況、小空間和複雜環境情況，分析了現有微小型仿生腿足機器人在系統整合度、運動模式、感知能力方面的問題。團隊採用仿生設計思路，選擇能在狹窄空間裡靈活機動的老鼠作為仿生物件，確定了機器鼠的機械結構設計方案，獨立完成了電驅動系統的設計和選型，並在機器鼠上搭載了感知感測器。

據瞭解，“靈微智探”團隊主要圍繞“靈、微、智、探”四個方面開展了技術創新。首先是靈巧：根據狹窄空間工況環境複雜的特點，提出了多運動模態控制方法，使得機器鼠能夠在不同的狹窄環境下順利完成移動、探測、偵察作業；其次是微小：採用X光照片分析手段，根據生物鼠的骨骼進行仿鼠結構和機構設計，實現了微小尺度下仿生腿足及柔性腰部結構的設計；再次是智慧：構建了微型雙目視覺及仿鼠微觸鬚感知系統，利用深度學習演算法融合實現了複雜環境多維智慧感知；最後是探測：透過管道等狹窄空間巡檢探查，實現了目標識別與環境的瑕疵檢測。

“我們所採用的技術在國際上是具有一定的先進性的。現在國際上能夠做到同等水平的有德國和日本。但是各國的機器人技術也有一定的區別。我們團隊設計的微小型平臺仿生機器人運動更靈活、擁有更多自由度、能夠實現側傾覆回正，因此能夠用於野外探測巡檢、室內狹窄空間探測、管道探測等場景。”團隊的指導教師，北京理工大學機電學院石青教授這樣介紹道。

開展技術創新，免不了坎坷征途。機器鼠早期研發過程中，“靈微智探”團隊在試驗時發現機器鼠的動作十分笨重，遠無法達到課題研究要求的靈活性。經過團隊成員分析，發現機器鼠採用的金屬零部件太重，控制演算法效率較低，這些都極大影響了機器鼠在狹窄空間的靈活性。團隊成員針對這些不足，連續幾天加班攻關，對控制演算法進行了最佳化，又採用3D列印方案重新制造了輕量化零部件。採用全新3D列印“骨肉”的機器鼠在新控制演算法作用下，迅速在實驗狹窄空間內實現了靈活機動。

據介紹，“靈微智探”團隊研發的機器鼠相關技術已經申請了多項技術專利，在機器人領域國際會議IEEE RCAR 2020上發表了相關學術論文，取得了多項科研成果。得益於機器鼠的多自由度整合與感知資訊融合技術，其已經在農業檢測和管道探測方面獲得了初步應用，並將在未來應用於災後搜救等重大公共安全相關領域。

青春志在高遠，才俊意比鴻鵠。在“靈微智探”團隊中，有三人是高年級本科生，兩人是一年級碩士研究生。這支年輕的團隊自建立以來，始終追尋微小型仿生機器人技術核心要義，以不懈努力和創新思維研發了靈巧的機器鼠。許毅表示，將來的學習與科研中，團隊成員們將繼續瞄準微小型仿生機器人在狹小空間下的感知探測與運動這一領域，開展學術研究和技術創新，為更多重要應用場景提供科技保障。（北京理工大學供稿）