“你好(hao)小(xiao)狗，我要走到学院大厅。”戴着眼罩的测(ce)试者手中握着导(dao)盲(mang)杖，杖的另一头连(lian)着一只六(liu)足机器小(xiao)狗。测(ce)试者说完，小(xiao)狗在原地抬起六(liu)足，蹬几下(xia)地，然后缓(huan)缓(huan)牵引身后人(ren)向前(qian)走。测(ce)试者若是“心急”推推导(dao)盲(mang)杆，那小(xiao)狗便会接收到指令，默默加快步伐。
这(zhe)是一款来自上海交(jiao)通大学机械与动(dong)力工程学院高峰教授团队研发的“六(liu)条(tiao)腿(tui)”导(dao)盲(mang)机器人(ren)。在刚刚过(guo)去(qu)的由中国残联主(zhu)办的“科技助残 共享美好(hao)生活”展会上，这(zhe)款机器人(ren)吸引了众(zhong)多(duo)人(ren)的目光(guang)。5月28日，高峰在上海交(jiao)大对这(zhe)款机器人(ren)进行了一次集中介绍。
据(ju)高峰介绍，“导(dao)盲(mang)六(liu)足机器人(ren)”具有视觉环境感知功能，可自主(zhu)导(dao)航至目的地、动(dong)态躲避障碍、识别(bie)红绿(lu)灯等。该款机器人(ren)如通过(guo)批量化生产、人(ren)工智能辅助可有效(xiao)降低成本、提升智能，可解决导(dao)盲(mang)犬数量短缺的问题。不仅如此(ci)，通过(guo)后台建立完整的互联网服务体系，导(dao)盲(mang)机器人(ren)还可以实(shi)现居家陪护(hu)、应急处理，带领盲(mang)人(ren)抵达更(geng)多(duo)地方等功能。
高峰在上海交(jiao)大对“导(dao)盲(mang)六(liu)足机器人(ren)”进行介绍。本文图片为 澎湃新闻(wen)记者 邹佳雯 图
突(tu)破人(ren)机交(jiao)互技术，让导(dao)盲(mang)机器人(ren)成为视障人(ren)士的“第二双眼睛”
为什(shi)么会研究导(dao)盲(mang)机器人(ren)？
高峰谈到，据(ju)世界卫生组(zu)织统计，我国视障人(ren)士已(yi)经突(tu)破1700万(wan)人(ren)，这(zhe)意(yi)味着每100人(ren)中就有至少一位视障者。但是，和庞大的视障人(ren)士数量对比(bi)，全国现役导(dao)盲(mang)犬数量仅几百只。不仅如此(ci)，导(dao)盲(mang)犬的培育还需要极高的培训成本，以及极长的训练周期，并且许多(duo)场合能否允许工作中的导(dao)盲(mang)犬进入(ru)尚处于讨论当(dang)中，仅仅依靠导(dao)盲(mang)犬远远不能满足我国千万(wan)余名视障人(ren)士的需求。基于此(ci)，团队开始了导(dao)盲(mang)六(liu)足机器人(ren)的研发工作。
高峰介绍，和盲(mang)人(ren)建立有效(xiao)沟通，让导(dao)盲(mang)机器人(ren)在理解使用者意(yi)图的同时维持机器人(ren)自身动(dong)作协调，是导(dao)盲(mang)机器人(ren)的首要任务。
团队在导(dao)盲(mang)机器人(ren)上集成了听觉、触(chu)觉和力觉三种交(jiao)互方式，实(shi)现盲(mang)人(ren)与导(dao)盲(mang)六(liu)足机器人(ren)之间(jian)的人(ren)机智能感知与顺应性行为。机器人(ren)可根据(ju)盲(mang)人(ren)的语音指令，基于深度学习端到端语音识别(bie)模型理解语义信息，快速响应、准确识别(bie)，目前(qian)语音识别(bie)准确率为90%以上，响应速度在1秒(miao)之内。
高峰团队研制的“导(dao)盲(mang)六(liu)足机器人(ren)”
此(ci)外，机器人(ren)可通过(guo)语音下(xia)发指令，如启动(dong)、停止、设定目的地、加速、减(jian)速等，同时实(shi)时反馈行走和环境状况(kuang)等信息，实(shi)现双向智能交(jiao)互。盲(mang)杖可以实(shi)现盲(mang)人(ren)与导(dao)盲(mang)机器人(ren)之间(jian)的力觉交(jiao)互，向盲(mang)人(ren)提供牵引力和转向力矩，引导(dao)盲(mang)人(ren)前(qian)进和转向。盲(mang)人(ren)也可以推拉盲(mang)杖来动(dong)态调整机器人(ren)的行走速度。目前(qian)机器人(ren)最大速度达3m/s，能够满足盲(mang)人(ren)慢走、快走、跑步等出行需求，且六(liu)足的独特构型优势确保机器人(ren)可以低噪(zao)声稳定行走。
人(ren)机交(jiao)互与机器人(ren)自律协同控制是机器人(ren)融合感知信息、任务需求、人(ren)机交(jiao)互的指令，利(li)用逻辑推理、自律决策，可实(shi)现智能导(dao)盲(mang)作业行为。基于导(dao)盲(mang)机器人(ren)的动(dong)力学模型，高峰团队构建了层级(ji)递进式外力估计、触(chu)地检测(ce)、坡度估计、运动(dong)状态估计模型算(suan)法，融合机器人(ren)关节、惯性导(dao)航、行为节律、历史状态等多(duo)源信息，进行多(duo)目标集成的状态观测(ce)和反馈优化的平衡控制，由此(ci)，能够实(shi)现导(dao)盲(mang)机器人(ren)在各类地形场景中自律协同控制效(xiao)果。
已(yi)进入(ru)实(shi)地测(ce)试阶段，将加快落地实(shi)用
导(dao)盲(mang)机器人(ren)在复杂地形行走需要更(geng)高的自主(zhu)规(gui)划能力，这(zhe)类自主(zhu)规(gui)划功能通常包含地面信息的获取和建模、定位导(dao)航、落脚点的选择、身体位姿规(gui)划以及连(lian)续运动(dong)的规(gui)划等。
定位精准是导(dao)盲(mang)任务的核(he)心要求之一，团队通过(guo)多(duo)传感器数据(ju)紧耦合方式，建立了雷达-惯性里程计系统，通过(guo)滑动(dong)窗口法耦合历史帧(zhen)数据(ju)，大幅减(jian)少点云运动(dong)畸变(bian)，并设计了多(duo)维度的状态残差，显著提高了系统状态估计的精度和鲁棒性，实(shi)现了三维环境地图的精准建立与机器人(ren)自身的精准定位。
而基于全局环境地图和实(shi)时感知的局部动(dong)态地图，科研团队采用模型预测(ce)和实(shi)时滚动(dong)优化方法实(shi)现机器人(ren)的路径规(gui)划和自主(zhu)避障，敏(min)捷(jie)自主(zhu)躲避静态和动(dong)态障碍物，保障导(dao)盲(mang)任务的安全性。
根据(ju)室内导(dao)航任务需求，团队制定了室内场景的多(duo)层导(dao)航策略(lue)，构建了层次拓扑地图实(shi)现室内全局路径规(gui)划；针(zhen)对室外场景，基于环境地图结合GPS信息进行多(duo)传感器融合，大幅提高定位与导(dao)航精度。团队还利(li)用深度相机，通过(guo)深度学习和数字图像处理技术实(shi)现对交(jiao)通信号的辨别(bie)，保障使用者出行安全。
针(zhen)对台阶、楼梯等典型地形环境，团队采用多(duo)约束优化算(suan)法规(gui)划机器人(ren)稳定行走步态；通过(guo)采集机器人(ren)腿(tui)部足端力觉信息，使用机器学习方法来实(shi)时辨识足-地接触(chu)模型，可实(shi)现机器人(ren)对不同地形的自适应动(dong)态敏(min)捷(jie)柔(rou)顺行走。
高峰介绍，目前(qian)，团队研发制成的导(dao)盲(mang)机器人(ren)已(yi)进入(ru)实(shi)地测(ce)试阶段。在整个研究推进过(guo)程中，由视障人(ren)士参与线下(xia)展示(shi)与功能测(ce)试，未来团队也将根据(ju)视障人(ren)士的实(shi)时反馈，对机器人(ren)持续研发、调试。
此(ci)外，导(dao)盲(mang)机器人(ren)的实(shi)际应用，不单单是机器人(ren)本身的应用，还需要后台大数据(ju)的支持，需要强大的运维团队的支持以及一系列推广普及的测(ce)试。据(ju)了解，高峰团队还与索辰科技密切合作，面向导(dao)盲(mang)机器人(ren)需求，开展了商业化推广。上海交(jiao)通大学负责(ze)基础理论研究和关键技术攻(gong)关，索辰科技负责(ze)产品工程化以及产业化运维和推广，双方共同努力，并借助社会力量，加快导(dao)盲(mang)六(liu)足机器人(ren)的落地使用，为改(gai)善我国视障人(ren)士生活贡献一份力量。