美國加州大學伯克利分校（University of California Berkeley）混合機器人小組的研究人員最近發(fā)明了一種用皮帶引導主人的四足機器人導盲犬，它可以幫助視障人士穿過室內的狹窄區(qū)域，還能進行室內路線規(guī)劃和導航。
該研究小組包括五名華人留學生，其中有三位本科生肖岸星、童聞哲、楊立之，以及兩名博士生李鐘毓、曾俊。該團隊由他們的導師庫什爾?斯林納斯（Koushil Sreenath） 帶領，庫什爾是該校機器人研究所和電子與計算機工程學院的機械工程助理教授，致力于機器人運動操控方面的研究，從 2009 年起發(fā)表了 70 余篇相關論文。
當?shù)貢r間 3 月 26 日，這項研究已經(jīng)預收錄在學術平臺 arXiv 上，論文題目為《機器導盲犬：用皮帶引導的混合物理互動引導人類（Robotic Guide Dog: Leading a Human with Leash-Guided Hybrid Physical Interaction）》。
論文鏈接：https://arxiv.org/abs/2103.14300
一、“獵豹”變導盲犬，機身來自麻省理工四足機器人
目前，導盲犬的挑選和訓練都比較費時費力，而且每只導盲犬都需要單獨訓練，不像機器導盲犬，只要開發(fā)一套算法就可以部署到所有個體上。
加州大學伯克利分校的團隊選取了四足機器人來建造機器導盲犬。研究小組成員李鐘毓認為，四足機器人的種類豐富且制造成本低，而且它們的形狀和大小都和真正的狗比較類似，因此可能是導盲犬的理想替代品，比其他機器人更容易被人類接受。
▲李鐘毓團隊開發(fā)的機器導盲犬外觀
李鐘毓團隊研發(fā)的機器導盲犬基于一個名叫 Mini Cheetah（小獵豹）的小型四足機器人，配備有 2D 激光雷達、3D 攝像頭，以及一個帶有力傳感器的可拉伸皮帶。這些配置使機器人可以感應環(huán)境、追蹤主人的位置，并且能拉緊或松開皮帶來牽引主人。
▲機器導盲犬構造
據(jù)悉，這個“Mini Cheetah”四足機器人是由麻省理工學院（MIT）開發(fā)的，在 2019 年租借給李鐘毓所在的實驗室用于算法研究。
二、有皮帶“牽引繩”，狹小室內也能靈活引導
不同于以前大基座、配有機械臂的引導機器人，李鐘毓團隊開發(fā)的機器導盲犬使用皮帶代替機械臂來牽引主人。
李鐘毓團隊提出了端到端混合物理人機交互（physical human-robot interaction，pHRI）模型，該模型反映了機器導盲犬和人類用戶在操作過程中的動態(tài)關系。
▲端到端混合物理人機交互（physical human-robot interaction）模型原理圖
利用這個混合模型，研究人員開發(fā)了一種反應式規(guī)劃器，它可以讓機器導盲犬通過調整姿態(tài)來放松或拉緊身上的皮帶，使它即使在狹小的室內也能靈活地引導主人。
研究人員在幾組實驗中測試了該模型，實驗中，機器人導盲犬要引導一個蒙著眼睛的人走到特定位置，同時避開附近的障礙物。事實證明，他們的模型非常有效。
▲實驗中，機器導盲犬引導被試者避開障礙
李鐘毓解釋道：“當機器導盲犬帶著主人進入一個狹窄的空間，機器人可以先自己調整姿態(tài)，松開皮帶。這時，由于主人手上沒有感受到力，就會慢下或停下腳步。在緩慢通過狹窄地帶之后，機器人會拉緊皮帶，引導主人繼續(xù)前進。”
三、能追蹤導航，還會規(guī)劃路線
研究人員還在機器導盲犬中添加了集成的傳感器套件和路徑規(guī)劃算法，讓機器導盲犬可以進行室內的路徑規(guī)劃和導航。
實驗中，李鐘毓團隊使用了激光測繪系統(tǒng)畫出了室內地圖，并且通過激光雷達來追蹤機器導盲犬和主人在地圖上的實時位置。
▲機器導盲犬規(guī)劃路徑示意圖
在機器導盲犬中增加導航功能的好處是，視障人士在出行前，只需設置目的地，機器導盲犬就能自行規(guī)劃路線并進行導航，而這是動物導盲犬沒法做到的。
李鐘毓說：“我們還在繼續(xù)研究，想讓我們的機器導盲犬幫助人們在更復雜的戶外環(huán)境中導航，以及幫助視障人士安全通過有紅綠燈的十字路口?！?/p>
結語：機器人技術更新?lián)Q代有助于幫助殘障人士
用皮帶牽引、行動靈活的機器導盲犬，在外形上與動物導盲犬有些相似，但其功能的可拓展性和多樣性大大優(yōu)于動物導盲犬。
機器導盲犬的面世可以說是視障人士的一大福音。不過除了機器導盲犬，目前還有越來越多的公司在積極開發(fā)和優(yōu)化相關的機器人技術，比如機器假肢等，來幫助殘障人士重回正常的生活。在未來，機器人技術與物理、生物等學科的結合或許還將繼續(xù)開拓這一領域。
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