中国留学生研发机器导盲犬,可实现批量生产,价格有望低于一万美元

就在最近，他已经和合作者将 MIT 四足机器人 Mini Cheetah，改造成导盲犬机器人（下称导盲犬）。该团队由三位本科生肖岸星、童闻哲、杨立之组成，博士生李钟毓、曾俊、和导师 Prof。 Koushil Sreenath 带领。

图 | 李钟毓就“上海导盲犬排便争议”时间发的一则朋友圈状态（来源：受访者）

如下图，由导盲犬带领的蒙眼小伙子，穿过迷宫般的纸板箱后，到达一条狭窄的小路时，导盲犬会停下来调整姿态、并拉上牵引绳，让小伙子知道继续前进是安全的。测试中，导盲犬成功地将他引向最终目标，且没有发生任何碰撞。

图 | 穿过纸板箱隔离出来的小路（来源：受访者）

可做到分秒不离人

导盲犬的机身是 Mini Cheetah，是由麻省理工学院（MIT） Sangbae Kim 教授课题组开发的硬件平台，在 2019 年租借给李钟毓所在实验室用于算法研究。

（来源：UC Berkeley）

导盲犬上的传感器，由 2D 激光雷达（LIDAR）、3D 相机、以及安装在绳上的力传感器组成，其中力传感器用于探测牵引绳上的张力，相机则用于跟踪被引导人员，并进行光检测和测距定位。

它还带有一个计算机大脑，从而实现四处走动，同时还可避免与物体发生碰撞、并能沿着预定路线行走。其中，相机安装在机器人顶面的云台上，经过编程以后，相机可以始终跟随着被牵引的人。

（来源：受访者）

此外，凭借 Mini Cheetah 现有的速度跟踪控制器，其中的模型预测控制（model-predictive control，MPC），可用来计算导盲犬每只脚所需的地面反作用力，从而来追踪所需的速度。

图 | 激光测绘地图（来源：受访者）

激光测绘系统，可用来定位导盲犬在全局地图上的位置。研究中，李钟毓的团队还测绘出来了相关地图，该地图可进行重复利用，并能在已有地图上规划路径。通过激光雷达，就能实时获悉导盲犬在地图上的位置。

这样的好处是，盲人在出行前，只需设置目的地，导盲犬就能规划路线、并进行导航。零件价格上，2D 激光雷达价格是 2000 元左右，3D 摄像头不到 1400 元。李钟毓告诉 DeepTech，这在同类机器人中，价格已经比较低廉。

开发首个端到端混合物理人机交互模型

研究中，李钟毓的团队提出了首个端到端混合物理人机交互（ physical human-robot interaction，pHRI）模型，并用实验数据验证了该混合模型的有效性。据悉，pHRI 模型可用于捕获人机系统的状态，并有助于路线规划和人机交互。

在路径规划器中，他们还制定了一个混合整数规划方案，以便让导盲犬在带领盲人行走时，可以避开障碍物。

导盲犬在工作时，主要用绳子引导，之前所有基于机器人的导盲工作，是用刚性的机器手去拉盲人，经过非常狭窄的地方，机器手容易被卡住，使用绳子则可避免这种不足。

（来源：受访者）

李钟毓告诉 DeepTech，引入绳子是在模仿动物导盲犬，并且绳子能在松弛状态和张紧状态之间切换。

实验中，导盲犬通过不到 1m 宽的通道，为了让自己和被牵引的人顺利通过，它会调整姿态，让绳子进入松弛状态。这时，由于盲人手上没有感受到力，就会停下脚步。

接下来，在通过狭窄通道后，导盲犬通过调整自身姿态，绳子可再次进入张紧状态，盲人手上会重新感受到牵引力，从而跟着导盲犬继续前进。

（来源：受访者）

为获悉导航效果，团队就不同情况做了测试，测试环境包含了较多元素，其中有两个非常狭窄的通道，导盲犬如果不用绳子，就会无法带领盲人通过。

而它身上的算法系统，可通过模拟的狭窄走廊、或者通过模拟的门等场景，来帮助盲人通过。

在苛刻的测试环境下，他们还换了不同的实验对象，把要使用的地图加载到导盲犬身上，只需简单设置目的地，就可帮助盲人到达目的地。当盲人用手抓住绳子，即可开始行走。

动图 | 导盲测试（来源：受访者）

此前，多数机器人的引导系统，都有很大的移动底盘，通常需要驱动刚性手臂来引导人类，较大的轮式平台和驱动臂，导致它们很难在狭窄和杂乱环境中操作。而使用绳子的导盲犬，则可避免这一问题。

图 | 人机引导系统的模型（来源：受访者）

研究中，他们把绳子搭载到四足机器人上，通过改变绳子的松弛程度，来适应狭窄的空间。

此外，他们还提出一个基于交互力的人机交互的混合模型，它可以用绳子的张力，来描述“导盲犬-牵引绳-人”系统中的动力学关系。

该混合模型可用于混合整数规划问题，从而开发出一个在线轨迹规划器，并利用松弛紧张两个状态的来回切换，来引导盲人在有限的空间中安全行走。

（来源：受访者）

目前，导盲犬主要用于室内平地的情况，未来会考虑户外上斜坡、下斜坡、走台阶甚至是室内坐电梯等场景。

就以上应用场景来说，相比轮式机器人，导盲犬这样的四足机器人实现起来也比较有优势。

现实生活中的狗，需要进过严格训练后才能成为导盲犬。据李钟毓介绍，在英国从预订一只动物导盲犬，到真正收到动物导盲犬，并可以为人类服务，需要一年时间左右。而使用这样的导盲犬机器人，有望大规模生产，理论上无需等待太久。

（来源：受访者）

他还表示，动物导盲犬属于稀缺资源，中国能用到动物导盲犬的人非常少，而且往往是“量身定制”。

一只动物导盲犬训练好的能力，无法移植到另一只狗上，当另外的盲人需要属于自己的导盲犬时，就需要重新训练，这会重新耗费训练人员的时间和精力。

此外，动物导盲犬的另一个缺点是它们无法阅读地图，也无法让它导航到所需位置，假如想从家中到地铁站，你对着狗说它也不明白，但对于盲人设置的出发地和目的地，导盲犬机器人是可以理解的。

此外，导盲犬机器人的相关代码，可从 A 导盲犬直接复制到 B 导盲犬上，导盲能力也可得到大规模复制，从而惠泽更多盲人。

图 | 导盲犬机器人系统一览（来源：受访者）

假如有 10 位盲人都需要导盲犬，那只需制备 10 台这样的机器人，并将代码进行复制，即可进行导盲工作。

实验结果表明，本次开发的系统，可安全有效地指导、眼睛被完全蒙住的使用者通过狭窄空间，包括避障和混合状态的转换。

（来源：受访者）

如下图所示，借助导盲犬的引导，引导蒙住眼睛的人到达最终目标位置，耗时约 75 秒。

在任务开始时，导盲犬的绳子被拉紧。路程中，最狭窄的地方位于在第二个拐口，这时绳子会切换到松弛模式，从而引导被试者停止走动。

图 | 导盲过程（来源：受访者）

此外，如下图所示，实验开始时测得的牵引绳上的张力 F 为 12N，从 45 秒到 60 秒时，当导盲犬走近第二个拐口的狭窄位置时，随着系统的切换模式，绳子上的张力变的极小并开始进入松弛模式。

图 | 绳子张力（左）和被引导人速度（右）的实验结果对比（来源：受访者）

这时，导盲犬正在更改其姿态，以便它能够引导人类通过拐口。在此期间，受试者停止移动，因为这时受试者不再能感受到绳上的牵引力，因此其运动速度接近零，即每秒钟行走 0.05m。

60 秒之后，导盲犬改变自身位置，并切换到张紧模式，以便应用绳子的牵引力，受试者再次感受到绳子牵引力，从而跟随导盲犬到达目的地。

相关论文已被机器人顶会收录，未来会开发更新颖的功能

目前，该工作的相关论文已经被机器人顶会 IEEE ICRA 2021 收录。除了导盲，它还可帮人类取物、以及进行安防监控等。

图 | 相关论文（来源：受访者）