两种类型（xíng）的“机器人”驾驶：自动驾（jià）驶和DARPA机器人比赛

但（dàn）是人形机器人驾驶汽（qì）车（chē）的研究也（yě）是有很（hěn）重要的意义的：2015年在美（měi）国举办的DARPA机器人（rén）挑战赛里就有一项机器人充当（dāng）司机驾驶吉普车的任务（wù）。小编（biān）私以为，研（yán）究人形机器（qì）人可（kě）以提升人形机器人（rén）的功能（néng）性，驾驶作为一个（gè）需要（yào）综（zōng）合多方面因（yīn）素（sù）的任务（集合机器人设计，运动控制，人（rén）工智能算法等），可以很好的作为一个特定的研究课题来提升人形机器人的（de）综合性能（néng）；另外，研（yán）究人形机（jī）器（qì）人驾驶（shǐ）还将成果转移到开发（fā）相应的（de）机械臂或者机械腿，来为肢体有残（cán）缺的人士（shì）提供可靠（kào）的功能（néng）性的（de）智（zhì）能义肢，让他们能够拥（yōng）有和其他人一样的（de）生活和（hé）运动能力（lì）。

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呆萌的老司机Musashi人形机器人

近期来自日本东京大学的研（yán）究团队基于（yú）他们（men）之前的人形机器人的（de）研（yán）究，研发了一（yī）款（kuǎn）用于驾驶汽车的人形机器人司机，并将研究成果刊登于国际机器人期（qī）刊《IEEE机器人与（yǔ）自动化杂志（Robotics and automation magazine）》，论（lùn）文信息请看（kàn）文（wén）末。这位机（jī）器人老（lǎo）司机名叫Musashi，不同于大多（duō）数人（rén）形（xíng）机器人依靠关节电机驱动，Musashi被（bèi）设计为具有像（xiàng）人一样的肌肉－骨骼结构。他全神具有74块人工肌（jī）肉（ròu），以及39个（gè）关节（不包括手部的（de）关（guān）节）。而（ér）本研究（jiū）的亮点也就是尽量（liàng）模仿人类的（de）动作和（hé）功能来实现机器人的自动驾驶。（东京大学（xué）的人形（xíng）机器人团队曾经于2017年刊登一（yī）篇《科学机器人学》（Science Robotics）封面文章，详细（xì）讲解（jiě）了他们的“肌肉（ròu）－骨骼”人形（xíng）机（jī）器人系统设（shè）计，感兴趣（qù）的可以参（cān）考文（wén）末的论文链接。）

我们先来（lái）欣赏一下“机器人老（lǎo）司（sī）机”的一些镜头！文末附有（yǒu）完整的视频。在（zài）下一部分会为大家介绍如何（hé）设（shè）计以及实现人形机（jī）器人驾驶（shǐ）。

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单手玩儿方向盘，不安全噢！

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双手转方向盘，这才是正确操作吧！

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踩（cǎi）油门

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细节（jiē）动作：拧钥匙，拉手刹，打（dǎ）转向灯

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后视镜识别人

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培训完成，老司机上路啦！

二． 类人机（jī）器人的“骨骼肌肉”系统设计以（yǐ）及控制（zhì）

“肌（jī）肉－骨骼”机器人Musashi模仿人类的（de）身体结（jié）构设计和制造（zào），具（jù）有冗余的传感器和柔性的（de）身体结构。这些特（tè）性非常适合在（zài）复杂的环境（jìng）中交互，例如在狭（xiá）小的汽车中驾驶的行为。研究者期望设计的（de）机器人（rén）能（néng）够坐到汽车座位中，并且可（kě）以（yǐ）用脚踩刹车和（hé）油（yóu）门（mén），同时可以用（yòng）双手（shǒu）操作方向（xiàng）盘。为（wéi）了（le）实现上述的目的，研究者需要（yào）从硬件和软件等多个方面（miàn）综合设计（jì）这（zhè）款机器人，具体（tǐ）包（bāo）括：1． 机器（qì）人身体比例；2．机器人（rén）身体（tǐ）的柔（róu）性；3． 冗余传感（gǎn）系统和（hé）一个可以控制机器（qì）人“智能系统”。

研究者（zhě）对Musashi的肌（jī）肉（ròu）模块驱动器进行了重点设计和研发。柔性的“人（rén）工肌肉（ròu）”是（shì）本（běn）研（yán）究（jiū）中的硬件核心所在。肌肉（ròu）模块是由电机通过滑（huá）轮绕线驱动，为了让机器人有一定的自体柔性，研究者们（men）在每一个“人工肌肉（ròu）”末（mò）端添加了一个非线（xiàn）性弹性单（dān）元（NEU）。非线性（xìng）弹性单（dān）元由一（yī）个纤维增强的弹性圈充（chōng）当，自（zì）身具有柔性，非常适合于（yú）环（huán）境交互。每一个肌肉驱动单元都含（hán）有可以测量肌肉张力，肌（jī）肉温度以及肌肉长（zhǎng）度的传感器（qì）。肌肉模块（kuài）连接到骨架上，非线性弹性（xìng）单元（yuán）连接（jiē）到（dào）肌肉末端（duān）。像人（rén）类一（yī）样，Musashi的（de）关节由一对肌肉模块以对抗（antagonistic）的形（xíng）式安装驱动。

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驱动单元设计

机器人的手臂结构（gòu）如图（tú），Musashi的手臂基本上是按（àn）照人类的手臂进行设计。并（bìng）且进行了模块化设计和组（zǔ）装。它的其余部（bù）分（例如腿部）等需要肌（jī）肉驱动的关节都可以利用（yòng）模块化设计组装。在机器人的每一个关节里包含有位置（zhì）传感器，IMU等传感器，能够读取（qǔ）到每一个关节的（de）角度和（hé）姿（zī）态（tài）。

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机械手（shǒu）模块化设计说（shuō）明

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变刚（gāng）度手臂

为了（le）尽可能的模（mó）仿人类驾（jià）驶员的特性，研究（jiū）者没有（yǒu）采用3d扫描（miáo）传感（gǎn）器（qì），而是在Musashi的（de）头部具有两只可动（dòng）2维摄像机充当（dāng）眼睛，可以左右和上下旋转，主要作用是采集图像信息用于识别。

Musashi的手（shǒu）指采用弹簧柔性结构设（shè）计（jì）。当两边（biān）线都收紧式，手指处于（yú）大刚度状（zhuàng）态。这款机械手在冲击下不（bú）会被损坏，另外在指尖部位和手（shǒu）掌部分都（dōu）有用来检测接（jiē）触的（de）压力传（chuán）感器（qì）。

Musashi的足部有着6维力传感器（qì），分别分（fèn）布在脚趾和脚后跟处，可以全（quán）面感知（zhī）脚（jiǎo）受到（dào）的力的大小和方向。

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细节设（shè）计（jì）：眼部设计，变（biàn）刚度机械手，足部传感

借助于（yú）高度拟人化（huà）的（de）硬件设（shè）计，Musashi可以实现以下功能和（hé）动作。首先它（tā）可以完美的坐到一部小型家用电动车中。可以通过（guò）头部和（hé）眼（yǎn）球的转动识别周围的环境，例如（rú）通过后视镜的反射可以识（shí）别人类；柔性机（jī）械臂和（hé）机械手可以抓握方向盘并且进行转向操作。

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基（jī）本动作和功（gōng）能（néng）：后视镜人像识别和双手（shǒu）转方向盘

另外Musashi也可以完成例（lì）如拧车钥匙，以及拉手刹等在（zài）驾驶过程中一些必备的，看似简单，实（shí）际对大多（duō）数机器人来说（shuō）比（bǐ）较难以在狭小空间完成的基本动作。

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基本动作：拧车钥匙和拉（lā）手（shǒu）刹

借助于足部的传感（gǎn）器（qì）和腿（tuǐ）的设（shè）计，Musashi可以实现踩油门和踩刹车的功能。另外当足部上方被刹车油门（mén）卡住后，力传感器可以检测出，从而让Musashi做出反应，避开刹（shā）车油门的（de）干扰。

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基本动（dòng）作：踩油门，踩刹车

在具备（bèi）了柔性的身体结构和冗（rǒng）余传感信息，为（wéi）了实（shí）现（xiàn）机器人驾（jià）驶汽车（chē）的功能，研究者们采用一种基于机器学习（learning based）的运动生成（chéng），基于机器（qì）学习的识别，以及基于快速反射弧的控制方（fāng）法，详细的（de）机（jī）器（qì）学习算法请参照具（jù）体论文。

研究者规定了一（yī）些基（jī）本的驾驶汽车的（de）动作（zuò），将（jiāng）他们分（fèn）为两种类（lèi）别，静态行为和动态行（háng）为。静（jìng）态行为指的是转方向盘（pán），研究者（zhě）用（yòng）在线学习的方式，训练机器人掌握操作方向盘（pán）的行（háng）为，图中显示出了方（fāng）向盘角度和肌肉张力随着时间（jiān）的（de）变化规律。

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转方向盘在线（xiàn）机器学习

踩油门（mén）和（hé）刹车是需要机器人做出快速响应的，例如（rú）在红绿灯状态下的启动和（hé）刹（shā）车，以及在前方有行人时的刹车。研（yán）究者采（cǎi）用离（lí）线学习的方式来（lái）训练机器（qì）人的（de）动态响应。

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踩油门训练（liàn）

在识别（bié）部分，像人类驾驶（shǐ）员一样，研究（jiū）者主（zhǔ）要利用机器学习（xí）训练识（shí）别了视觉和（hé）声音信息，通过训练，可以识别物体信息和声（shēng）音（yīn）信息（xī），例如，汽车，人，交通灯，以及喇叭声等。研究者（zhě）进（jìn）行测（cè）试的场地是（shì）在车人非常稀少（shǎo）的（de）街道上。

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测试场地和机器人视（shì）觉识别（bié）

Musashi驾驶一辆小型改装的（de）电动车进行试（shì）验。其中，能源和计算机控制（zhì）中枢都被安装于（yú）车厢（xiāng）尾（wěi）部，另（lìng）外还包括一（yī）个无（wú）线通（tōng）讯模块（kuài）。为了安全（quán）起（qǐ）见，该车辆的电机扭矩被限制在5Nm之（zhī）内，同（tóng）时（shí）有一个应急按钮以防止出危（wēi）险。

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驾驶汽车上配（pèi）置电源（yuán）和计算机

Musashi可以（yǐ）通过简单的反射（shè）弧控（kòng）制算（suàn）法来（lái）对外界做出（chū）反应。研究（jiū）者（zhě）展示了（le）一个很经典的场景，即在车（chē）辆前方有人或（huò）者汽车通（tōng）过时，快速（sù）踩（cǎi）下刹车（chē）做出反应。基于Musashi的识别系统（tǒng），它（tā）可以有效地识别在前（qián）方通过的人，以及即将（jiāng）到来的汽车，并做（zuò）出反应。研究者指出，为了让（ràng）机（jī）器人的控制系统更加智能，在更（gèng）多的环（huán）境中去（qù）训（xùn）练机器人的（de）识别模型时非常有（yǒu）必要（yào）的（de）。

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驾驶过程中的鸣笛声或者人（rén）类检（jiǎn）测

另一个测试场景是让Musashi自动（dòng）驾（jià）驶通过一个有着红绿灯（dēng）的十（shí）字路口。在（zài）这项实验中，Musashi的驾驶速度非常的缓慢（màn）（5km／s）。当十字路口的等变为（wéi）绿色时，操作人员对机器人发出转弯的指令，Musashi可（kě）以驾驶小车用双手实（shí）现90度（dù）的转弯。整个过程（chéng）持续大（dà）约2分钟，相对来说比较缓慢和不流畅（chàng）。

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驾驶过程（chéng）中的红绿灯检测

三． 总（zǒng）结与（yǔ）未来（lái）展望

虽然自动驾驶汽（qì）车要（yào）比用“人形机（jī）器人”驾驶汽（qì）车更为可（kě）靠（kào），更（gèng）舒适，更（gèng）安全，但是小编相信，对于“人形（xíng）机（jī）器人“的诸（zhū）如此类的深（shēn）入研究还是有很重（chóng）要和深远意义的。驾驶汽车这项（xiàng）任务将机（jī）器人（rén）束缚在一个（gè）极其复杂（zá）的（de）环境中，需（xū）要机器人（rén）去操（cāo）作方（fāng）向（xiàng）盘，踩油（yóu）门，拉手刹，拨转（zhuǎn）向灯等。无疑来说是（shì）一项很有挑战性的任务。进（jìn）行相关的研究可以极大的促（cù）进”人形机（jī）器人（rén）“的发展。

本文的研（yán）究者指出（chū），当前的研究（jiū）还有很多方面需要改（gǎi）进，例（lì）如在脚踏板的（de）操作和方向盘的操作（zuò）方面（miàn），都不（bú）够顺滑，以（yǐ）及速度较慢，远远没有办法和人类进行（háng）比较。同时机器人的识别模型还（hái）需要进一步的完（wán）善和强化，以适应更复（fù）杂的环境。在未来的研究中（zhōng），研究者（zhě）会考虑让机器人尝试不同的汽车，从而进一步提升人形机器人的性能。

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（dà）学（xué）人（rén）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．