美國加州大學(xué)伯克利分校(University of California Berkeley)混合機(jī)器人小組的研究人員最近發(fā)明了一種用皮帶引導(dǎo)主人的四足機(jī)器人導(dǎo)盲犬，它可以幫助視障人士穿過室內(nèi)的狹窄區(qū)域，還能進(jìn)行室內(nèi)路線規(guī)劃和導(dǎo)航。
該研究小組包括五名華人留學(xué)生，其中有三位本科生肖岸星、童聞?wù)堋盍⒅?，以及兩名博士生李鐘毓、曾俊。該團(tuán)隊(duì)由他們的導(dǎo)師庫什爾?斯林納斯(Koushil Sreenath) 帶領(lǐng)，庫什爾是該校機(jī)器人研究所和電子與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院的機(jī)械工程助理教授，致力于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)操控方面的研究，從 2009 年起發(fā)表了 70 余篇相關(guān)論文。
當(dāng)?shù)貢r(shí)間 3 月 26 日，這項(xiàng)研究已經(jīng)預(yù)收錄在學(xué)術(shù)平臺(tái) arXiv 上，論文題目為《機(jī)器導(dǎo)盲犬：用皮帶引導(dǎo)的混合物理互動(dòng)引導(dǎo)人類(Robotic Guide Dog: Leading a Human with Leash-Guided Hybrid Physical Interaction)》。
一、“獵豹”變導(dǎo)盲犬，機(jī)身來自麻省理工四足機(jī)器人
目前，導(dǎo)盲犬的挑選和訓(xùn)練都比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且每只導(dǎo)盲犬都需要單獨(dú)訓(xùn)練，不像機(jī)器導(dǎo)盲犬，只要開發(fā)一套算法就可以部署到所有個(gè)體上。
加州大學(xué)伯克利分校的團(tuán)隊(duì)選取了四足機(jī)器人來建造機(jī)器導(dǎo)盲犬。研究小組成員李鐘毓認(rèn)為，四足機(jī)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(dǎo)盲犬的理想替代品，比其他機(jī)器人更容易被人類接受。
李鐘毓團(tuán)隊(duì)研發(fā)的機(jī)器導(dǎo)盲犬基于一個(gè)名叫 Mini Cheetah(小獵豹)的小型四足機(jī)器人，配備有 2D 激光雷達(dá)、3D 攝像頭，以及一個(gè)帶有力傳感器的可拉伸皮帶。這些配置使機(jī)器人可以感應(yīng)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。
據(jù)悉，這個(gè)“Mini Cheetah”四足機(jī)器人是由麻省理工學(xué)院(MIT)開發(fā)的，在 2019 年租借給李鐘毓所在的實(shí)驗(yàn)室用于算法研究。
二、有皮帶“牽引繩”，狹小室內(nèi)也能靈活引導(dǎo)
不同于以前大基座、配有機(jī)械臂的引導(dǎo)機(jī)器人，李鐘毓團(tuán)隊(duì)開發(fā)的機(jī)器導(dǎo)盲犬使用皮帶代替機(jī)械臂來牽引主人。
李鐘毓團(tuán)隊(duì)提出了端到端混合物理人機(jī)交互(physical human-robot interaction，pHRI)模型，該模型反映了機(jī)器導(dǎo)盲犬和人類用戶在操作過程中的動(dòng)態(tài)關(guān)系。
利用這個(gè)混合模型，研究人員開發(fā)了一種反應(yīng)式規(guī)劃器，它可以讓機(jī)器導(dǎo)盲犬通過調(diào)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(nèi)也能靈活地引導(dǎo)主人。
研究人員在幾組實(shí)驗(yàn)中測試了該模型，實(shí)驗(yàn)中，機(jī)器人導(dǎo)盲犬要引導(dǎo)一個(gè)蒙著眼睛的人走到特定位置，同時(shí)避開附近的障礙物。事實(shí)證明，他們的模型非常有效。
李鐘毓解釋道：“當(dāng)機(jī)器導(dǎo)盲犬帶著主人進(jìn)入一個(gè)狹窄的空間，機(jī)器人可以先自己調(diào)整姿態(tài)，松開皮帶。這時(shí)，由于主人手上沒有感受到力，就會(huì)慢下或停下腳步。在緩慢通過狹窄地帶之后，機(jī)器人會(huì)拉緊皮帶，引導(dǎo)主人繼續(xù)前進(jìn)。”
三、能追蹤導(dǎo)航，還會(huì)規(guī)劃路線
研究人員還在機(jī)器導(dǎo)盲犬中添加了集成的傳感器套件和路徑規(guī)劃算法，讓機(jī)器導(dǎo)盲犬可以進(jìn)行室內(nèi)的路徑規(guī)劃和導(dǎo)航。
實(shí)驗(yàn)中，李鐘毓團(tuán)隊(duì)使用了激光測繪系統(tǒng)畫出了室內(nèi)地圖，并且通過激光雷達(dá)來追蹤機(jī)器導(dǎo)盲犬和主人在地圖上的實(shí)時(shí)位置。
在機(jī)器導(dǎo)盲犬中增加導(dǎo)航功能的好處是，視障人士在出行前，只需設(shè)置目的地，機(jī)器導(dǎo)盲犬就能自行規(guī)劃路線并進(jìn)行導(dǎo)航，而這是動(dòng)物導(dǎo)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(jī)器導(dǎo)盲犬幫助人們在更復(fù)雜的戶外環(huán)境中導(dǎo)航，以及幫助視障人士安全通過有紅綠燈的十字路口。”
結(jié)語：機(jī)器人技術(shù)更新?lián)Q代有助于幫助殘障人士
用皮帶牽引、行動(dòng)靈活的機(jī)器導(dǎo)盲犬，在外形上與動(dòng)物導(dǎo)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(dòng)物導(dǎo)盲犬。
機(jī)器導(dǎo)盲犬的面世可以說是視障人士的一大福音。不過除了機(jī)器導(dǎo)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(guān)的機(jī)器人技術(shù)，比如機(jī)器假肢等，來幫助殘障人士重回正常的生活。在未來，機(jī)器人技術(shù)與物理、生物等學(xué)科的結(jié)合或許還將繼續(xù)開拓這一領(lǐng)域。
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