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兩種類型的“機(jī)器人”駕駛：自動(dòng)駕駛和DARPA機(jī)器人比賽
但是人形機(jī)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(jī)器人挑戰(zhàn)賽里就有一項(xiàng)機(jī)器人充當(dāng)司機(jī)駕駛吉普車的任務(wù)。小編私以為，研究人形機(jī)器人可以提升人形機(jī)器人的功能性，駕駛作為一個(gè)需要綜合多方面因素的任務(wù)（集合機(jī)器人設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)控制，人工智能算法等），可以很好的作為一個(gè)特定的研究課題來提升人形機(jī)器人的綜合性能；另外，研究人形機(jī)器人駕駛還將成果轉(zhuǎn)移到開發(fā)相應(yīng)的機(jī)械臂或者機(jī)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(yùn)動(dòng)能力。
呆萌的老司機(jī)Musashi人形機(jī)器人
近期來自日本東京大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)基于他們之前的人形機(jī)器人的研究，研發(fā)了一款用于駕駛汽車的人形機(jī)器人司機(jī)，并將研究成果刊登于國際機(jī)器人期刊《IEEE機(jī)器人與自動(dòng)化雜志（Robotics and automation magazine）》，論文信息請(qǐng)看文末。這位機(jī)器人老司機(jī)名叫Musashi，不同于大多數(shù)人形機(jī)器人依靠關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，Musashi被設(shè)計(jì)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(gè)關(guān)節(jié)（不包括手部的關(guān)節(jié)）。而本研究的亮點(diǎn)也就是盡量模仿人類的動(dòng)作和功能來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動(dòng)駕駛。（東京大學(xué)的人形機(jī)器人團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)于2017年刊登一篇《科學(xué)機(jī)器人學(xué)》（Science Robotics）封面文章，詳細(xì)講解了他們的“肌肉－骨骼”人形機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)，感興趣的可以參考文末的論文鏈接。）
我們先來欣賞一下“機(jī)器人老司機(jī)”的一些鏡頭！文末附有完整的視頻。在下一部分會(huì)為大家介紹如何設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)人形機(jī)器人駕駛。
單手玩兒方向盤，不安全噢！
雙手轉(zhuǎn)方向盤，這才是正確操作吧！
踩油門
細(xì)節(jié)動(dòng)作：擰鑰匙，拉手剎，打轉(zhuǎn)向燈
后視鏡識(shí)別人
培訓(xùn)完成，老司機(jī)上路啦！
二． 類人機(jī)器人的“骨骼肌肉”系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及控制
“肌肉－骨骼”機(jī)器人Musashi模仿人類的身體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)的機(jī)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(shí)可以用雙手操作方向盤。為了實(shí)現(xiàn)上述的目的，研究者需要從硬件和軟件等多個(gè)方面綜合設(shè)計(jì)這款機(jī)器人，具體包括：1． 機(jī)器人身體比例；2．機(jī)器人身體的柔性；3． 冗余傳感系統(tǒng)和一個(gè)可以控制機(jī)器人“智能系統(tǒng)”。
研究者對(duì)Musashi的肌肉模塊驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了重點(diǎn)設(shè)計(jì)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(jī)通過滑輪繞線驅(qū)動(dòng)，為了讓機(jī)器人有一定的自體柔性，研究者們?cè)诿恳粋€(gè)“人工肌肉”末端添加了一個(gè)非線性彈性單元（NEU）。非線性彈性單元由一個(gè)纖維增強(qiáng)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(gè)肌肉驅(qū)動(dòng)單元都含有可以測(cè)量肌肉張力，肌肉溫度以及肌肉長(zhǎng)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(duì)肌肉模塊以對(duì)抗（antagonistic）的形式安裝驅(qū)動(dòng)。
驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)
機(jī)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(jìn)行設(shè)計(jì)。并且進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)和組裝。它的其余部分（例如腿部）等需要肌肉驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)都可以利用模塊化設(shè)計(jì)組裝。在機(jī)器人的每一個(gè)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(gè)關(guān)節(jié)的角度和姿態(tài)。
機(jī)械手模塊化設(shè)計(jì)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(dòng)2維攝像機(jī)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(shí)別。
Musashi的手指采用彈簧柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。當(dāng)兩邊線都收緊式，手指處于大剛度狀態(tài)。這款機(jī)械手在沖擊下不會(huì)被損壞，另外在指尖部位和手掌部分都有用來檢測(cè)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(xì)節(jié)設(shè)計(jì)：眼部設(shè)計(jì)，變剛度機(jī)械手，足部傳感
借助于高度擬人化的硬件設(shè)計(jì)，Musashi可以實(shí)現(xiàn)以下功能和動(dòng)作。首先它可以完美的坐到一部小型家用電動(dòng)車中?？梢酝ㄟ^頭部和眼球的轉(zhuǎn)動(dòng)識(shí)別周圍的環(huán)境，例如通過后視鏡的反射可以識(shí)別人類；柔性機(jī)械臂和機(jī)械手可以抓握方向盤并且進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作。
基本動(dòng)作和功能：后視鏡人像識(shí)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(jiǎn)單，實(shí)際對(duì)大多數(shù)機(jī)器人來說比較難以在狹小空間完成的基本動(dòng)作。
基本動(dòng)作：擰車鑰匙和拉手剎
借助于足部的傳感器和腿的設(shè)計(jì)，Musashi可以實(shí)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(cè)出，從而讓Musashi做出反應(yīng)，避開剎車油門的干擾。
基本動(dòng)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(shí)現(xiàn)機(jī)器人駕駛汽車的功能，研究者們采用一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)（learning based）的運(yùn)動(dòng)生成，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的識(shí)別，以及基于快速反射弧的控制方法，詳細(xì)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法請(qǐng)參照具體論文。
研究者規(guī)定了一些基本的駕駛汽車的動(dòng)作，將他們分為兩種類別，靜態(tài)行為和動(dòng)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(jī)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(shí)間的變化規(guī)律。
轉(zhuǎn)方向盤在線機(jī)器學(xué)習(xí)
踩油門和剎車是需要機(jī)器人做出快速響應(yīng)的，例如在紅綠燈狀態(tài)下的啟動(dòng)和剎車，以及在前方有行人時(shí)的剎車。研究者采用離線學(xué)習(xí)的方式來訓(xùn)練機(jī)器人的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
踩油門訓(xùn)練
在識(shí)別部分，像人類駕駛員一樣，研究者主要利用機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練識(shí)別了視覺和聲音信息，通過訓(xùn)練，可以識(shí)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(jìn)行測(cè)試的場(chǎng)地是在車人非常稀少的街道上。
測(cè)試場(chǎng)地和機(jī)器人視覺識(shí)別
Musashi駕駛一輛小型改裝的電動(dòng)車進(jìn)行試驗(yàn)。其中，能源和計(jì)算機(jī)控制中樞都被安裝于車廂尾部，另外還包括一個(gè)無線通訊模塊。為了安全起見，該車輛的電機(jī)扭矩被限制在5Nm之內(nèi)，同時(shí)有一個(gè)應(yīng)急按鈕以防止出危險(xiǎn)。
駕駛汽車上配置電源和計(jì)算機(jī)
Musashi可以通過簡(jiǎn)單的反射弧控制算法來對(duì)外界做出反應(yīng)。研究者展示了一個(gè)很經(jīng)典的場(chǎng)景，即在車輛前方有人或者汽車通過時(shí)，快速踩下剎車做出反應(yīng)?；贛usashi的識(shí)別系統(tǒng)，它可以有效地識(shí)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(jī)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(jī)器人的識(shí)別模型時(shí)非常有必要的。
駕駛過程中的鳴笛聲或者人類檢測(cè)
另一個(gè)測(cè)試場(chǎng)景是讓Musashi自動(dòng)駕駛通過一個(gè)有著紅綠燈的十字路口。在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)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(shí)，操作人員對(duì)機(jī)器人發(fā)出轉(zhuǎn)彎的指令，Musashi可以駕駛小車用雙手實(shí)現(xiàn)90度的轉(zhuǎn)彎。整個(gè)過程持續(xù)大約2分鐘，相對(duì)來說比較緩慢和不流暢。
駕駛過程中的紅綠燈檢測(cè)
三． 總結(jié)與未來展望
雖然自動(dòng)駕駛汽車要比用“人形機(jī)器人”駕駛汽車更為可靠，更舒適，更安全，但是小編相信，對(duì)于“人形機(jī)器人“的諸如此類的深入研究還是有很重要和深遠(yuǎn)意義的。駕駛汽車這項(xiàng)任務(wù)將機(jī)器人束縛在一個(gè)極其復(fù)雜的環(huán)境中，需要機(jī)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(xiàng)很有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。進(jìn)行相關(guān)的研究可以極大的促進(jìn)”人形機(jī)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(jìn)，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(yuǎn)遠(yuǎn)沒有辦法和人類進(jìn)行比較。同時(shí)機(jī)器人的識(shí)別模型還需要進(jìn)一步的完善和強(qiáng)化，以適應(yīng)更復(fù)雜的環(huán)境。在未來的研究中，研究者會(huì)考慮讓機(jī)器人嘗試不同的汽車，從而進(jìn)一步提升人形機(jī)器人的性能。
相關(guān)論文信息：
Kawaharazuka， K．， Tsuzuki， K．， Koga， Y．， Omura， Y．， Makabe，T．， Shinjo， K．，Kawasaki， K． （2020）． Toward Autonomous Driving byMusculoskeletal Humanoids： Study of Developed Hardware and Learning－basedSoftware． IEEE Robotics ＆ Automation Magazine．
東京大學(xué)人形機(jī)器人論文：
Asano， Y．， Okada， K．， ＆ Inaba， M． （2017）． Designprinciples of a human mimetic humanoid： Humanoid platform to study humanintelligence and internal body system． Science Robotics， 2（13），eaaq0899．
