5位华人学生研发“机器导盲犬” 避障、导航样样在行

该研究小组包括五名华人留学生，其中有三位本科生肖岸星、童闻哲、杨立之，以及两名博士生李钟毓、曾俊。该团队由他们的导师库什尔·斯林纳斯（Koushil Sreenath） 带领，库什尔是该校机器人研究所和电子与计算机工程学院的机械工程助理教授，致力于机器人运动操控方面的研究，从2009年起发表了70余篇相关论文。

当地时间3月26日，这项研究已经预收录在学术平台arXiv上，论文题目为《机器导盲犬：用皮带引导的混合物理互动引导人类（Robotic Guide Dog: Leading a Human with Leash-Guided Hybrid Physical Interaction）》。

论文链接：https://arxiv.org/abs/2103.14300

一、“猎豹”变导盲犬，机身来自麻省理工四足机器人

目前，导盲犬的挑选和训练都比较费时费力，而且每只导盲犬都需要单独训练，不像机器导盲犬，只要开发一套算法就可以部署到所有个体上。

加州大学伯克利分校的团队选取了四足机器人来建造机器导盲犬。研究小组成员李钟毓认为，四足机器人的种类丰富且制造成本低，而且它们的形状和大小都和真正的狗比较类似，因此可能是导盲犬的理想替代品，比其他机器人更容易被人类接受。

▲李钟毓团队开发的机器导盲犬外观

李钟毓团队研发的机器导盲犬基于一个名叫Mini Cheetah（小猎豹）的小型四足机器人，配备有2D激光雷达、3D摄像头，以及一个带有力传感器的可拉伸皮带。这些配置使机器人可以感应环境、追踪主人的位置，并且能拉紧或松开皮带来牵引主人。

▲机器导盲犬构造

据悉，这个“Mini Cheetah”四足机器人是由麻省理工学院（MIT）开发的，在2019年租借给李钟毓所在的实验室用于算法研究。

二、有皮带“牵引绳”，狭小室内也能灵活引导

不同于以前大基座、配有机械臂的引导机器人，李钟毓团队开发的机器导盲犬使用皮带代替机械臂来牵引主人。

李钟毓团队提出了端到端混合物理人机交互（physical human-robot interaction，pHRI）模型，该模型反映了机器导盲犬和人类用户在操作过程中的动态关系。

▲端到端混合物理人机交互（physical human-robot interaction）模型原理图

利用这个混合模型，研究人员开发了一种反应式规划器，它可以让机器导盲犬通过调整姿态来放松或拉紧身上的皮带，使它即使在狭小的室内也能灵活地引导主人。

研究人员在几组实验中测试了该模型，实验中，机器人导盲犬要引导一个蒙着眼睛的人走到特定位置，同时避开附近的障碍物。事实证明，他们的模型非常有效。

▲实验中，机器导盲犬引导被试者避开障碍

李钟毓解释道：“当机器导盲犬带着主人进入一个狭窄的空间，机器人可以先自己调整姿态，松开皮带。这时，由于主人手上没有感受到力，就会慢下或停下脚步。在缓慢通过狭窄地带之后，机器人会拉紧皮带，引导主人继续前进。”

三、能追踪导航，还会规划路线

研究人员还在机器导盲犬中添加了集成的传感器套件和路径规划算法，让机器导盲犬可以进行室内的路径规划和导航。

实验中，李钟毓团队使用了激光测绘系统画出了室内地图，并且通过激光雷达来追踪机器导盲犬和主人在地图上的实时位置。

▲机器导盲犬规划路径示意图

在机器导盲犬中增加导航功能的好处是，视障人士在出行前，只需设置目的地，机器导盲犬就能自行规划路线并进行导航，而这是动物导盲犬没法做到的。

李钟毓说：“我们还在继续研究，想让我们的机器导盲犬帮助人们在更复杂的户外环境中导航，以及帮助视障人士安全通过有红绿灯的十字路口。”

结语：机器人技术更新换代有助于帮助残障人士

用皮带牵引、行动灵活的机器导盲犬，在外形上与动物导盲犬有些相似，但其功能的可拓展性和多样性大大优于动物导盲犬。

机器导盲犬的面世可以说是视障人士的一大福音。不过除了机器导盲犬，目前还有越来越多的公司在积极开发和优化相关的机器人技术，比如机器假肢等，来帮助残障人士重回正常的生活。在未来，机器人技术与物理、生物等学科的结合或许还将继续开拓这一领域。

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