導(dǎo)讀

人形機器人在近十幾年間大放異彩，從21世紀(jì)初日本Honda（本田）集團展示了可以唱跳RAP的機器人ASIMO，到2019年美國Boston Dynamic公司展示的可以“跑酷”的機器人Atlas，科學(xué)家們一直在不斷地突破極限，用更好的控制算法和硬件設(shè)計來追趕甚至超越人類。近期，來自日本東京大學(xué)的一支機器人團隊進行了一項關(guān)于如何實現(xiàn)類人機器人Musashi駕駛汽車的研究挑戰(zhàn)，并發(fā)表在國際著名機器人期刊《IEEE機器人和自動化雜志（Robotics and automation magazine）》上。在論文中詳細討論了如何設(shè)計和控制“類人機器人“以讓其更適應(yīng)駕駛汽車的任務(wù)并進行了實地測試，他們研制的“含有骨骼肌肉”系統(tǒng)的類人機器人可以像人一樣看著紅綠燈的變化踩油門，打方向盤，在前方有人或汽車經(jīng)過時踩剎車。“肌肉-骨骼”機器人模仿人類結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造，具有冗余的傳感和自由度，以及柔性的身體結(jié)構(gòu)，這些特性讓人形機器人非常適合在復(fù)雜的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)。

機器人老司機：科幻與現(xiàn)實

一。 人形機器人Musashi挑戰(zhàn)“老司機”，駕駛汽車

人類是自然界獨一無二的高級物種，我們通過數(shù)百萬年的進化達到了今天的文明程度。現(xiàn)如今，人類開始創(chuàng)造以我們自身為模板，以機械為載體的新型“生命體”，人形機器人（Humanoid Robot）。在科幻片中藝術(shù)家們已經(jīng)創(chuàng)造了許多經(jīng)典的人形機器人。近10~20年機器人學(xué)家的不懈努力下，現(xiàn)實中的人形機器人也變得功能越來越強大，越來越智能，像本田的Asimo，波士頓動力的Atlas，NASA聯(lián)合MIT的Valkyire，以及我國UBTECH的Walker。這些機器人或有著絕佳的運動能力，或被設(shè)計成能夠與人交互，服務(wù)大眾。

人形機器人

四足機器人已經(jīng)開始走入大眾生活，我國的宇樹科技發(fā)布了1萬美元左右的產(chǎn)品A1，波士頓動力剛剛發(fā)布Spot售價為7.5萬美元，不知大家是否有興趣買來感受一下尖端科技？小編相信，終究有一天，人形機器人也會發(fā)展到人人皆可購買，進入千家萬戶，服務(wù)大眾。

今天小編要像大家介紹一款人形機器人，它被設(shè)計為了實現(xiàn)像人類司機一樣駕駛家用小轎車。無人駕駛技術(shù)的研究其實已經(jīng)進入我們大家的生活，現(xiàn)階段的思路基本上是將汽車本身智能化，集成電腦，傳感器等于汽車本體。從工業(yè)和生活應(yīng)用的角度來看，其實這樣的設(shè)計更加高效也更加可靠。

兩種類型的“機器人”駕駛：自動駕駛和DARPA機器人比賽

但是人形機器人駕駛汽車的研究也是有很重要的意義的：2015年在美國舉辦的DARPA機器人挑戰(zhàn)賽里就有一項機器人充當(dāng)司機駕駛吉普車的任務(wù)。小編私以為，研究人形機器人可以提升人形機器人的功能性，駕駛作為一個需要綜合多方面因素的任務(wù)（集合機器人設(shè)計，運動控制，人工智能算法等），可以很好的作為一個特定的研究課題來提升人形機器人的綜合性能；另外，研究人形機器人駕駛還將成果轉(zhuǎn)移到開發(fā)相應(yīng)的機械臂或者機械腿，來為肢體有殘缺的人士提供可靠的功能性的智能義肢，讓他們能夠擁有和其他人一樣的生活和運動能力。

呆萌的老司機Musashi人形機器人

近期來自日本東京大學(xué)的研究團隊基于他們之前的人形機器人的研究，研發(fā)了一款用于駕駛汽車的人形機器人司機，并將研究成果刊登于國際機器人期刊《IEEE機器人與自動化雜志（Robotics and automation magazine）》，論文信息請看文末。這位機器人老司機名叫Musashi，不同于大多數(shù)人形機器人依靠關(guān)節(jié)電機驅(qū)動，Musashi被設(shè)計為具有像人一樣的肌肉-骨骼結(jié)構(gòu)。他全神具有74塊人工肌肉，以及39個關(guān)節(jié)（不包括手部的關(guān)節(jié)）。而本研究的亮點也就是盡量模仿人類的動作和功能來實現(xiàn)機器人的自動駕駛。（東京大學(xué)的人形機器人團隊曾經(jīng)于2017年刊登一篇《科學(xué)機器人學(xué)》（Science Robotics）封面文章，詳細講解了他們的“肌肉-骨骼”人形機器人系統(tǒng)設(shè)計，感興趣的可以參考文末的論文鏈接。）

我們先來欣賞一下“機器人老司機”的一些鏡頭！文末附有完整的視頻。在下一部分會為大家介紹如何設(shè)計以及實現(xiàn)人形機器人駕駛。

踩油門

細節(jié)動作：擰鑰匙，拉手剎，打轉(zhuǎn)向燈

后視鏡識別人

培訓(xùn)完成，老司機上路啦！

二。 類人機器人的“骨骼肌肉”系統(tǒng)設(shè)計以及控制

“肌肉-骨骼”機器人Musashi模仿人類的身體結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造，具有冗余的傳感器和柔性的身體結(jié)構(gòu)。這些特性非常適合在復(fù)雜的環(huán)境中交互，例如在狹小的汽車中駕駛的行為。研究者期望設(shè)計的機器人能夠坐到汽車座位中，并且可以用腳踩剎車和油門，同時可以用雙手操作方向盤。為了實現(xiàn)上述的目的，研究者需要從硬件和軟件等多個方面綜合設(shè)計這款機器人，具體包括：1. 機器人身體比例；2.機器人身體的柔性；3. 冗余傳感系統(tǒng)和一個可以控制機器人“智能系統(tǒng)”。

研究者對Musashi的肌肉模塊驅(qū)動器進行了重點設(shè)計和研發(fā)。柔性的“人工肌肉”是本研究中的硬件核心所在。肌肉模塊是由電機通過滑輪繞線驅(qū)動，為了讓機器人有一定的自體柔性，研究者們在每一個“人工肌肉”末端添加了一個非線性彈性單元（NEU）。非線性彈性單元由一個纖維增強的彈性圈充當(dāng)，自身具有柔性，非常適合于環(huán)境交互。每一個肌肉驅(qū)動單元都含有可以測量肌肉張力，肌肉溫度以及肌肉長度的傳感器。肌肉模塊連接到骨架上，非線性彈性單元連接到肌肉末端。像人類一樣，Musashi的關(guān)節(jié)由一對肌肉模塊以對抗（antagonistic）的形式安裝驅(qū)動。

驅(qū)動單元設(shè)計

機器人的手臂結(jié)構(gòu)如圖，Musashi的手臂基本上是按照人類的手臂進行設(shè)計。并且進行了模塊化設(shè)計和組裝。它的其余部分（例如腿部）等需要肌肉驅(qū)動的關(guān)節(jié)都可以利用模塊化設(shè)計組裝。在機器人的每一個關(guān)節(jié)里包含有位置傳感器，IMU等傳感器，能夠讀取到每一個關(guān)節(jié)的角度和姿態(tài)。

機械手模塊化設(shè)計說明

變剛度手臂

為了盡可能的模仿人類駕駛員的特性，研究者沒有采用3d掃描傳感器，而是在Musashi的頭部具有兩只可動2維攝像機充當(dāng)眼睛，可以左右和上下旋轉(zhuǎn)，主要作用是采集圖像信息用于識別。

Musashi的手指采用彈簧柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計。當(dāng)兩邊線都收緊式，手指處于大剛度狀態(tài)。這款機械手在沖擊下不會被損壞，另外在指尖部位和手掌部分都有用來檢測接觸的壓力傳感器。

Musashi的足部有著6維力傳感器，分別分布在腳趾和腳后跟處，可以全面感知腳受到的力的大小和方向。

細節(jié)設(shè)計：眼部設(shè)計，變剛度機械手，足部傳感

借助于高度擬人化的硬件設(shè)計，Musashi可以實現(xiàn)以下功能和動作。首先它可以完美的坐到一部小型家用電動車中。可以通過頭部和眼球的轉(zhuǎn)動識別周圍的環(huán)境，例如通過后視鏡的反射可以識別人類；柔性機械臂和機械手可以抓握方向盤并且進行轉(zhuǎn)向操作。

基本動作和功能：后視鏡人像識別和雙手轉(zhuǎn)方向盤

另外Musashi也可以完成例如擰車鑰匙，以及拉手剎等在駕駛過程中一些必備的，看似簡單，實際對大多數(shù)機器人來說比較難以在狹小空間完成的基本動作。

基本動作：擰車鑰匙和拉手剎

借助于足部的傳感器和腿的設(shè)計，Musashi可以實現(xiàn)踩油門和踩剎車的功能。另外當(dāng)足部上方被剎車油門卡住后，力傳感器可以檢測出，從而讓Musashi做出反應(yīng)，避開剎車油門的干擾。

基本動作：踩油門，踩剎車

在具備了柔性的身體結(jié)構(gòu)和冗余傳感信息，為了實現(xiàn)機器人駕駛汽車的功能，研究者們采用一種基于機器學(xué)習(xí)（learning based）的運動生成，基于機器學(xué)習(xí)的識別，以及基于快速反射弧的控制方法，詳細的機器學(xué)習(xí)算法請參照具體論文。

研究者規(guī)定了一些基本的駕駛汽車的動作，將他們分為兩種類別，靜態(tài)行為和動態(tài)行為。靜態(tài)行為指的是轉(zhuǎn)方向盤，研究者用在線學(xué)習(xí)的方式，訓(xùn)練機器人掌握操作方向盤的行為，圖中顯示出了方向盤角度和肌肉張力隨著時間的變化規(guī)律。

轉(zhuǎn)方向盤在線機器學(xué)習(xí)

踩油門和剎車是需要機器人做出快速響應(yīng)的，例如在紅綠燈狀態(tài)下的啟動和剎車，以及在前方有行人時的剎車。研究者采用離線學(xué)習(xí)的方式來訓(xùn)練機器人的動態(tài)響應(yīng)。

踩油門訓(xùn)練

在識別部分，像人類駕駛員一樣，研究者主要利用機器學(xué)習(xí)訓(xùn)練識別了視覺和聲音信息，通過訓(xùn)練，可以識別物體信息和聲音信息，例如，汽車，人，交通燈，以及喇叭聲等。研究者進行測試的場地是在車人非常稀少的街道上。

測試場地和機器人視覺識別

Musashi駕駛一輛小型改裝的電動車進行試驗。其中，能源和計算機控制中樞都被安裝于車廂尾部，另外還包括一個無線通訊模塊。為了安全起見，該車輛的電機扭矩被限制在5Nm之內(nèi)，同時有一個應(yīng)急按鈕以防止出危險。

駕駛汽車上配置電源和計算機

Musashi可以通過簡單的反射弧控制算法來對外界做出反應(yīng)。研究者展示了一個很經(jīng)典的場景，即在車輛前方有人或者汽車通過時，快速踩下剎車做出反應(yīng)。基于Musashi的識別系統(tǒng)，它可以有效地識別在前方通過的人，以及即將到來的汽車，并做出反應(yīng)。研究者指出，為了讓機器人的控制系統(tǒng)更加智能，在更多的環(huán)境中去訓(xùn)練機器人的識別模型時非常有必要的。

駕駛過程中的鳴笛聲或者人類檢測

另一個測試場景是讓Musashi自動駕駛通過一個有著紅綠燈的十字路口。在這項實驗中，Musashi的駕駛速度非常的緩慢（5km/s）。當(dāng)十字路口的等變?yōu)榫G色時，操作人員對機器人發(fā)出轉(zhuǎn)彎的指令，Musashi可以駕駛小車用雙手實現(xiàn)90度的轉(zhuǎn)彎。整個過程持續(xù)大約2分鐘，相對來說比較緩慢和不流暢。

駕駛過程中的紅綠燈檢測

三。 總結(jié)與未來展望

雖然自動駕駛汽車要比用“人形機器人”駕駛汽車更為可靠，更舒適，更安全，但是小編相信，對于“人形機器人“的諸如此類的深入研究還是有很重要和深遠意義的。駕駛汽車這項任務(wù)將機器人束縛在一個極其復(fù)雜的環(huán)境中，需要機器人去操作方向盤，踩油門，拉手剎，撥轉(zhuǎn)向燈等。無疑來說是一項很有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。進行相關(guān)的研究可以極大的促進”人形機器人“的發(fā)展。

本文的研究者指出，當(dāng)前的研究還有很多方面需要改進，例如在腳踏板的操作和方向盤的操作方面，都不夠順滑，以及速度較慢，遠遠沒有辦法和人類進行比較。同時機器人的識別模型還需要進一步的完善和強化，以適應(yīng)更復(fù)雜的環(huán)境。在未來的研究中，研究者會考慮讓機器人嘗試不同的汽車，從而進一步提升人形機器人的性能。
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