1PETMAN的系统要求及主要构成
PETMAN的立项源于美国化学防护服防护因数测试与评价需求，用来模拟真人的不同运动状态［10］。PETMAN是一个可以模拟真人活动、用于测试化学防护服的机器人，不同于以往的仅能支持机械和有限运动模式的服装测试假人。此前用于测试防化服的机械系统，只能以一种机械程序式的方式挤压服装面料织物，与人体实际动作对织物的作用相差甚远，无法有效评价人员在实际穿着运动状态下的真实性能。拟研制的机器人PETMAN要求能够经受住化学物质考验，在保持平衡情况下自由活动、行走、爬行或者完成其他一系列活动，如人员佩戴防护服完成暴露于化学物质环境下的相关作业动作。在必要时，PETMAN还可以在穿着防护服的状态下，通过控制温度、湿度和出汗速率，模拟人体的生理学过程，进行非常真实的防护服整体防护性能测试。针对模拟真人运动状态需考虑的因素，PETMAN系统的主要构成分四大部分：（1）人体温度控制和排汗系统；（2）呼吸模拟系统；（3）仿真皮肤系统；（4）机器人运动系统。目前，MIST技术中存在一个重要的不足之处是对有毒有害物质或其模拟剂的浓度缺乏动态实时监测，即化学物质浓度实时监测系统。目前已有一些比较成熟的技术，如集成有系列传感器的一体化服装，穿着在人体上不仅可以实时监控有毒工业化学品等有毒有害物质浓度，还可以同时监测人体温度、心率、心动图、呼吸流量、服装内以及服装外湿度等参数。该集成有系列传感器的服装系统，可望作为开发难度较大的PETMAN的替代品来进行MIST测试，这样对于较难实现而且成本昂贵的人体运动模拟、呼吸模拟、排汗模拟以及运动均衡系统的研究而言，可以更加有效的降低研究成本，同时实现其相应的功能，但无法采用真实的有毒有害物质评价化学防护服等个体防护装备在模拟真实工作环境中的整体防护性能。
2PETMAN研制过程中需考虑的关键因素
结合PETMAN系统的研制总要求及其主要构成，在PETMAN的研发过程中，主要需要考虑的因素有：PETMAN系统子系统重要性的优先程度和组件研制承研商的资质。4.1PETMAN子系统重要性的优先程度美国国防部相关部门已经起草制定了PETMAN需求优先研究顺序表，其主要的依据是PETMAN系统中子系统的重要性。与此同时，还需根据项目研究的难易程度和风险大小综合考虑研究顺序，最终综合确定需要先期开展的优先研究难度较大的项目和子系统，然后将目前能够实现的项目和子系统逐步集成到PETMAN总系统中。4.2研制承研商的选取对于任何组织和机构而言，研制PETMAN系统都是一项巨大的工程。对于系统中单一技术的研发，尤其是机器人性能的开发，如机器人技术和动作模拟方面需要大量的财力、资源和研究经验，一个研究小组往往是无法独立完成的。因此，该项研究需要考虑各学科间的交叉融合，主要的承研商还应有将各子系统进行总体集成的能力。此外，还应有一个专门的工作组，制定并与承研商沟通具体项目的总体规划目标和准入标准。这些包括对系统集成者、假人、材料和传感器等具体技术的研发者、独立组件及技术供货商的具体要求。综合考虑上述众多实际因素后，该项目最终由美国中西部研究所（MRI）联合波士顿动力公司（BD）等单位承担。其中，MRI是该项目的主承研商，对PETMAN进行系统总体集成。BD主要负责机器人的设计和制造，该公司由麻省理工学院和美国国家科学院的科研工程技术人员创立，一直致力于研究与开发能够模拟真人以及动物活动动态的机器人。在承担PETMAN项目前，BD公司已研制成功能够负载越野行走的四足机器人-大狗（BigDog）、爬上垂直表面的机器人（RISE）、能够不断变化形状以在狭小空间移动的机器人（SquishBot）等。此外，PETMAN项目其他主要参研单位还有测量技术西北公司等。
3PETMAN研究进展
美国国防部拟采用PETMAN替代目前评价试验图1中的真人，来进行有毒工业化学品等有毒有害化学品的防护性能评价，而不是只进行模拟剂的评价。该评价对于个体防护装备针对有毒工业化学品等有毒有害物质的实际防护性能，具有十分重要的参考价值，评价结果的好坏直接决定着防护装备的可用性、应用范围及应用方向等。从子系统上看，研制出符合要求的机器人及其相应系统的单个组件/系统，如电源系统、控制系统、传感器、模拟人体的排汗系统以及呼吸系统等，独立分析起来，均具备一定的技术可行性，虽然技术难度较大，但要整合集成到一个PETMAN系统中并且符合众多部门，如国防部、化生防御联合项目执行办公室、联合项目管理部、核化生沾染规避部门等的要求，在项目研究初期难以完全实现。尽管如此，美国国防部还是不断朝着该目标努力，通过在现有成熟技术的基础上，将现有的人体模型系统进行改造，一步一步向PETMAN需求文件中描述的人体模型系统靠近。其中涉及的技术有人体生理学模拟、人体模型的整体传感技术、机器人的设计/构建、PETMAN皮肤材料的研制、集成的PETMAN系统以及其他的一些补充性方案。尽管PETMAN系统研制难度很大，但在美国国防高级研究计划局DARPA资助下，波士顿动力学公司牵头的PETMAN机器人项目组历时30个月，在经历13个月的设计阶段之后进行了17个月的样机研制、安装、验证调试与不断改进，于2010年取得了突破性进展，研制出可以精确活动的机器人样机。但该样机难以在一定的范围内象人一样自由运动，有望经过相关改进和完善后，应用于MIST评价试验中以取代真人进行相关的试验与评价。2011年11月，PETMAN项目组正式提交了研制的机器人样机，宣布PETMAN机器人研制成功，该机器人与标准人体的形状和大小相同，将成为第一个拟人化的机器人，它能够像真人一样的行走和模拟士兵穿着防护服时在现实条件下的各种实际动作，如像士兵一样活动手臂和大腿、做俯卧撑等［11］。这款机器人并不会在近期内应用于战区，目前的作用是充当一个行走机器，测试化学防护服的防护因数。美国最新研制的PETMAN系统，如图2所示，左图为其正面图像，右图为其背面图像。
4结论
机器人PETMAN的研制，从科研的角度来看是一项任务艰巨的系统工程，涉及的研究领域众多。其最终的目标是要研制出动作灵活性与人类相似的机器人，可以实现奔跑、跳跃等动作，这是目前在世界机器人研究领域中最难实现的项目之一。PETMAN的研制成果基本实现了这一目标，然而从相关报道和资料可以看出，在PETMAN的背部还有大量有线连接的相关辅助系统，目前的PETMAN还难以完全实现与人一样的独立动作能力，如何真正实现目标设计中的功能还需要进行更多、更为深入的研究。这些基础研究对于职业健康安全防护领域的试验与评价工作具有重要的支撑作用，对于科学评价相关个体防护发表论文装备具有重要的现实意义。
作者：杨小兵 单位：防化研究院 国民核生化灾害防护国家重点实验室
