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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

新浪科技综合2021-04-19 11:08:413627阅

来源: DeepTech深科技

前不久,上海 “导盲犬排便争议事件” 发生后,50 岁的盲人阿姨被质疑 “不像盲人”。正在加州大学伯克利读博的李钟毓,看到该新闻后,在朋友圈评论称“这个时候就需要机器狗导盲”。

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图 | 相关新闻视频截图(来源:网络)

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。

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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。

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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。

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(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。

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(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。

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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。

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(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。

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(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。

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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。

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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。

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(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。

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(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。

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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。

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(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。

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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。

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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。

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图 | 相关论文(来源:受访者)

未来,李钟毓的团队将专注于更细致的系统建模,并尝试研发出具备更新颖的功能的导盲犬,比如怎样在不同楼层间做轨迹规划、怎样辨别红绿灯以及带领盲人过马路等。

在落地方面,李钟毓表示非常乐见有企业能采取本次研究提出的导盲解决方案,从而实现回报社会。对于价格,他表示:“导盲犬机器人的价格有望低于一万美元。一旦开发了一种导盲算法,我们就可以为各种机器狗复制粘贴。不会太久,价格会越来越低。”

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