两种类型的“机器人”驾驶：自动驾驶和（hé）DARPA机器人比赛（sài）

但是（shì）人形机器人驾驶汽车的研（yán）究也是有很重要的意义的：2015年（nián）在美国举办的DARPA机器人挑战赛里（lǐ）就（jiù）有一项（xiàng）机器人充当（dāng）司机驾驶吉普车的任务。小编私以为，研究人（rén）形机器人可以（yǐ）提升人形（xíng）机器人的功能性，驾（jià）驶作为一个需要综合多（duō）方面因素的（de）任务（集合机器人设计（jì），运动控制，人工（gōng）智能算（suàn）法等），可（kě）以很好的作为（wéi）一个特定的研究课题（tí）来提升（shēng）人形机器（qì）人的综合性能；另（lìng）外，研究人形机器人（rén）驾驶还（hái）将成（chéng）果转移到开发相应的机械臂（bì）或者机械腿，来为（wéi）肢（zhī）体有残（cán）缺的人士提供可靠的功能性的智能义肢，让（ràng）他们能够拥有和其他（tā）人一（yī）样的生活和（hé）运动能力。

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呆（dāi）萌的（de）老司机Musashi人形机器（qì）人

近期来自日（rì）本东京大学的研究团（tuán）队基于他们之前的（de）人（rén）形（xíng）机（jī）器人的研究，研发了一款（kuǎn）用（yòng）于驾驶汽（qì）车的人形（xíng）机器人司机，并将研究成果刊登于国（guó）际机器人期刊《IEEE机器人与自（zì）动化杂志（zhì）（Robotics and automation magazine）》，论文信息请看文末（mò）。这位机器人老司机（jī）名叫Musashi，不同于大多数人（rén）形（xíng）机器人依靠关节电机（jī）驱（qū）动，Musashi被设（shè）计为具有像人一样的（de）肌肉－骨骼结构。他全神具（jù）有74块人工肌肉，以及（jí）39个关节（不包括手部的关节）。而（ér）本研究的亮点也就是尽量模仿人类的动作和功能来实现机器（qì）人的自动（dòng）驾驶。（东京大学（xué）的人形（xíng）机器人团队曾经于（yú）2017年刊登一篇《科学机器人学（xué）》（Science Robotics）封面文章，详细讲（jiǎng）解了他们（men）的（de）“肌肉－骨骼（gé）”人形机器人系统设计，感兴趣的可（kě）以参考文末的论文链接（jiē）。）

我们先（xiān）来欣赏一下“机（jī）器人老（lǎo）司机（jī）”的一些镜（jìng）头（tóu）！文末附有完整的视（shì）频。在（zài）下一（yī）部分会为大家介绍如（rú）何（hé）设计以及实现人形（xíng）机（jī）器人驾驶（shǐ）。

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单手玩儿（ér）方向盘，不安全（quán）噢！

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双手转方（fāng）向盘（pán），这才是正（zhèng）确操作吧！

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踩油门

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细节动作：拧钥匙，拉手刹，打转向灯

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后视（shì）镜识别（bié）人

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培训完成，老（lǎo）司机上路（lù）啦！

二． 类人机（jī）器人的“骨骼（gé）肌肉”系统设计（jì）以及控制

“肌肉－骨骼（gé）”机器人Musashi模仿人类（lèi）的身（shēn）体结构设计和制造，具有冗余的（de）传感器和柔性的（de）身体结构。这些特性非常适合在复杂（zá）的环境中交互，例如在狭小（xiǎo）的汽（qì）车中驾驶的行为。研究者期望设计的（de）机器人能够坐到汽车座位中，并且（qiě）可以用脚踩（cǎi）刹（shā）车和（hé）油门，同时可以（yǐ）用双（shuāng）手操作方向盘。为了（le）实现上述的（de）目的（de），研究者（zhě）需（xū）要从硬件和软件等多个方面综合设计这款（kuǎn）机器人（rén），具体包括：1． 机器人（rén）身（shēn）体比例；2．机器人身体的柔性；3． 冗余传感系统和一个可以控制（zhì）机器人“智能（néng）系统（tǒng）”。

研（yán）究者对Musashi的（de）肌肉模块（kuài）驱动器进行（háng）了重点设计（jì）和研发。柔性的“人工肌（jī）肉”是本研究中的硬件核（hé）心所在。肌肉模块是由（yóu）电（diàn）机通过滑（huá）轮绕（rào）线驱动，为了让机器人有一（yī）定（dìng）的自体（tǐ）柔（róu）性，研究者们在每一个“人工肌肉”末端添加（jiā）了一个非线性弹性单元（NEU）。非线性弹性单元由（yóu）一个（gè）纤维增强的弹性圈充当，自身具有柔性，非常适合（hé）于（yú）环境（jìng）交互。每一个肌（jī）肉驱动单元都含有可以测量（liàng）肌肉张力（lì），肌肉温度以及肌肉长度的传（chuán）感器。肌肉模块连接到（dào）骨架上，非线性弹性单元连（lián）接到肌（jī）肉末（mò）端。像人类一样，Musashi的关（guān）节由一对肌（jī）肉模块以对（duì）抗（antagonistic）的（de）形式安装驱动。

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驱动单元设计

机器人（rén）的手臂（bì）结构如图，Musashi的手臂（bì）基（jī）本上是（shì）按照人（rén）类（lèi）的手臂进行设（shè）计。并且进行了模块化（huà）设计和组装。它（tā）的（de）其余部分（例如腿部）等需要肌肉驱动的关（guān）节都可以利用模块化设计组装。在机器人的每（měi）一个关节里包（bāo）含（hán）有位置传感（gǎn）器，IMU等传感器（qì），能够读取到每一个关节的角度和姿（zī）态。

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机械手模块化设计说明（míng）

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变刚度手臂

为了（le）尽可能的模仿人（rén）类驾（jià）驶（shǐ）员的特性，研究者没有采用3d扫描传感器，而是在Musashi的头部具有两（liǎng）只可动2维摄像机充当（dāng）眼睛，可以左右和上下旋转，主要作（zuò）用（yòng）是采（cǎi）集图像信息用于识别。

Musashi的手指（zhǐ）采（cǎi）用弹簧柔（róu）性结构设计。当两（liǎng）边线都（dōu）收紧（jǐn）式，手（shǒu）指处于大刚度（dù）状态。这（zhè）款（kuǎn）机械手在冲（chōng）击（jī）下不会被损坏，另外在指尖（jiān）部位和（hé）手掌部分（fèn）都有用来检测接触（chù）的压力传感器（qì）。

Musashi的足（zú）部有（yǒu）着6维力传（chuán）感器，分（fèn）别分布在脚趾和脚后跟处，可以（yǐ）全面（miàn）感（gǎn）知脚受到（dào）的（de）力的大小和方向。

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细节设计：眼部设计，变刚（gāng）度机械（xiè）手，足部传（chuán）感

借助于高度拟人化的硬（yìng）件设计（jì），Musashi可以实现以下功（gōng）能和动作（zuò）。首先它（tā）可（kě）以完美的坐到一部小型家用电动车中。可以（yǐ）通过头部和眼球的转动识（shí）别周围的环境，例如通过后视镜的（de）反射可（kě）以识别人类；柔性（xìng）机（jī）械臂和机械手可以抓握方向盘并且进行转向（xiàng）操作。

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基本动作和功能：后视镜（jìng）人像识（shí）别和双手转方向盘

另（lìng）外Musashi也可以完（wán）成例如拧车钥匙，以（yǐ）及拉手刹等在驾驶过程中（zhōng）一些必备的，看似简单，实际（jì）对（duì）大多（duō）数（shù）机（jī）器人来说比较难以在狭小（xiǎo）空间完成（chéng）的基本动作。

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基（jī）本动（dòng）作：拧车钥匙和拉手刹

借助于足部的传感器和腿的设计，Musashi可以实现踩油门（mén）和（hé）踩刹车的功能（néng）。另外当足（zú）部上方被刹车油（yóu）门（mén）卡住（zhù）后，力传感（gǎn）器可以检测出，从而让Musashi做出反应，避开（kāi）刹车（chē）油门的干扰。

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基本动（dòng）作：踩（cǎi）油门，踩刹车

在（zài）具备了柔性的身体结构和冗余传（chuán）感信（xìn）息，为了实现机器人（rén）驾驶汽车的功（gōng）能，研究（jiū）者（zhě）们采用一种基于（yú）机（jī）器学习（learning based）的（de）运（yùn）动生成，基于（yú）机器学习的（de）识别（bié），以及（jí）基于快速反射弧的控制方法，详细的（de）机器学习算法请参照具（jù）体论文。

研究者规定了一些基本的驾驶汽车的动作，将他们分（fèn）为（wéi）两种类别，静态行（háng）为和动态行为。静态行为指的是转（zhuǎn）方向盘，研究者用在线学习的（de）方式，训练（liàn）机（jī）器人掌握（wò）操作（zuò）方向盘（pán）的行为，图中显示出（chū）了方（fāng）向（xiàng）盘角度和肌肉张力随着时间（jiān）的变化（huà）规律。

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转方向（xiàng）盘（pán）在线机器学（xué）习（xí）

踩油门（mén）和刹车是需要机器（qì）人做出快速（sù）响应的，例如在红绿灯状态下的启动和刹车，以及在前方有行人（rén）时的刹车。研究者采（cǎi）用离线学习的方式来训练机器人的动态响应。

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踩油门训练

在识别部分，像人类（lèi）驾驶员一样，研究者主要利用机器（qì）学习训练识别了视觉和声音信息（xī），通过训（xùn）练，可（kě）以（yǐ）识别物体信息和（hé）声音信息，例如，汽车，人，交通灯（dēng），以及喇叭声等。研究者进行测（cè）试的（de）场地是在（zài）车人非常稀少的（de）街道（dào）上。

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测试场地和机器人视觉识别

Musashi驾驶一（yī）辆小型改装的电动车进（jìn）行试（shì）验（yàn）。其中，能源和计算机控制中枢都（dōu）被安装于（yú）车厢尾部，另外（wài）还（hái）包括一（yī）个无线通讯模块。为了安全（quán）起见，该车（chē）辆的电机扭矩被限制在5Nm之内，同时有一（yī）个应急按钮以防止（zhǐ）出危险。

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驾（jià）驶汽车上配置电源和计算机

Musashi可以通过（guò）简（jiǎn）单的反射弧控制算法来对外界（jiè）做出反应。研究者（zhě）展示了一个很经典的场景，即在车辆前方有人或者（zhě）汽（qì）车通过时，快速踩下刹（shā）车做出反应。基于Musashi的识别（bié）系统，它可以有效地识别（bié）在前（qián）方通过的（de）人，以及即将到来的汽车，并（bìng）做出（chū）反应。研究者指（zhǐ）出，为了让机器（qì）人的控（kòng）制系统更加智能，在更多的环境中去训练机器人的识别模（mó）型（xíng）时非常有必要的。

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驾驶过程中（zhōng）的鸣笛（dí）声或者人类检测

另一个测试场景是让Musashi自动驾（jià）驶通过一个有着红绿灯（dēng）的（de）十字路口。在这（zhè）项实验中，Musashi的（de）驾（jià）驶速度非常（cháng）的缓慢（5km／s）。当十字（zì）路口的等变（biàn）为绿（lǜ）色（sè）时，操作人员对（duì）机器（qì）人发出（chū）转弯的指令，Musashi可以（yǐ）驾（jià）驶小（xiǎo）车（chē）用（yòng）双手实现90度的转弯。整（zhěng）个过程持续（xù）大约2分（fèn）钟，相对来说比较缓慢和（hé）不（bú）流畅。

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驾驶过程中的（de）红绿灯检测

三． 总结与未来展望

虽然自动（dòng）驾驶汽车要比（bǐ）用“人形机器人”驾驶汽车更（gèng）为可靠，更舒适（shì），更安全，但是小编相信，对于“人形（xíng）机器人“的诸如此类的深入研究还是有（yǒu）很重要和深（shēn）远意义的（de）。驾驶汽车这项（xiàng）任（rèn）务（wù）将机器人（rén）束缚在一个极其复（fù）杂的环境（jìng）中，需要机（jī）器人去操作（zuò）方向盘，踩（cǎi）油门，拉手刹，拨转（zhuǎn）向灯等。无疑来（lái）说（shuō）是一项很（hěn）有挑战性的任（rèn）务。进行（háng）相关的研究可（kě）以极大的促进”人形机器人“的发（fā）展（zhǎn）。

本（běn）文的（de）研究者指（zhǐ）出，当前的研究还有（yǒu）很多方（fāng）面（miàn）需要（yào）改（gǎi）进，例如在脚踏板的操（cāo）作和方向盘的操作方面，都不够顺滑（huá），以及速度较慢，远远没有（yǒu）办法和人类进行比较。同时（shí）机（jī）器人（rén）的识别（bié）模型还（hái）需要进（jìn）一步的完善和强化，以适（shì）应更（gèng）复杂（zá）的环境。在未来的研究中，研究者会考虑让机器人（rén）尝试不同的汽车，从而（ér）进（jìn）一步提升人形（xíng）机器人的性能。

相关（guān）论文信（xìn）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．

东京大学（xué）人形机器人论文（wén）：

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．