两种（zhǒng）类型的“机器人”驾驶：自动驾驶和（hé）DARPA机器人比（bǐ）赛

但是人形机（jī）器人驾驶（shǐ）汽车的研究也是有很重要（yào）的意义（yì）的：2015年在美国举办的DARPA机器人（rén）挑战赛里就有一项机器（qì）人充当司机驾驶吉普车的任（rèn）务。小编私以为，研究（jiū）人形机器人（rén）可以提升人形机器人的功能性（xìng），驾驶作为一个需要综合多（duō）方面（miàn）因素的任（rèn）务（集（jí）合机器人设（shè）计（jì），运动控制，人工智能算法等），可以很好的（de）作为一个特定（dìng）的研究课题来提升（shēng）人形（xíng）机（jī）器人的综合性（xìng）能；另外（wài），研（yán）究人形机器人驾（jià）驶还将成果转移到开发相应的机械臂或者机械（xiè）腿，来为肢体（tǐ）有残缺（quē）的人士提供（gòng）可靠（kào）的功能（néng）性的智能义肢，让他们能够（gòu）拥有和其他（tā）人一样（yàng）的生活和运动能力。

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呆萌的老司机Musashi人形（xíng）机器人

近期（qī）来自（zì）日本东京大学的（de）研究团队（duì）基（jī）于他们之（zhī）前的（de）人形机器人的（de）研究，研发了一款用（yòng）于驾驶汽车的人形机器人司机，并将研究成（chéng）果刊登于国际（jì）机器（qì）人（rén）期刊《IEEE机器人与自动化（huà）杂（zá）志（zhì）（Robotics and automation magazine）》，论文信息请看文末。这位机器人老司（sī）机名（míng）叫Musashi，不同（tóng）于大多数（shù）人形（xíng）机器人依靠关节电（diàn）机驱动，Musashi被设（shè）计为具有像（xiàng）人（rén）一样（yàng）的肌肉－骨骼结构。他全神具（jù）有（yǒu）74块人工肌（jī）肉，以及（jí）39个关节（不包（bāo）括手部的关节）。而本研究的亮（liàng）点（diǎn）也就是尽（jìn）量模仿人（rén）类的动作和功能来实现机器（qì）人的自动驾（jià）驶。（东京（jīng）大（dà）学的人形机器人团队曾经于2017年刊登（dēng）一篇（piān）《科学机器人学》（Science Robotics）封面文章，详细（xì）讲解了他们的“肌肉－骨骼”人形机器人系统（tǒng）设计，感兴趣的可以（yǐ）参考文末的论文链接。）

我们先来欣赏一下“机器（qì）人老司机”的一些镜（jìng）头（tóu）！文末附有完整的视频（pín）。在下一（yī）部分会（huì）为大家介绍如何设计（jì）以及（jí）实现人形机器人驾驶（shǐ）。

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单手（shǒu）玩儿方向盘（pán），不安全噢！

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双手转（zhuǎn）方向盘（pán），这才是正确操（cāo）作吧！

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踩（cǎi）油门（mén）

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细节动（dòng）作：拧钥（yào）匙，拉手刹，打转向灯

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后视镜识别人

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培（péi）训完成，老司机上路啦！

二． 类人机器人的“骨骼（gé）肌（jī）肉（ròu）”系（xì）统设计以及控（kòng）制（zhì）

“肌肉－骨骼（gé）”机器人Musashi模仿人类的身体结构设计和制造，具有冗（rǒng）余的传感器和柔性的（de）身体结构。这（zhè）些特性非（fēi）常适合（hé）在复杂的环境中交互，例如在狭小的汽（qì）车中驾驶的行为（wéi）。研究者期望设计的机器人（rén）能（néng）够坐（zuò）到汽车（chē）座位中，并且（qiě）可以（yǐ）用脚踩刹车和油门，同时可（kě）以（yǐ）用双手操作方（fāng）向盘。为了实现上（shàng）述的目的（de），研究者需要从硬件和软件等多个（gè）方面综（zōng）合设计（jì）这款机器人，具体包括（kuò）：1． 机（jī）器人身体比例；2．机器人（rén）身体（tǐ）的柔（róu）性；3． 冗余传感系统和（hé）一（yī）个可以控制（zhì）机器人（rén）“智能系（xì）统”。

研究者对Musashi的（de）肌（jī）肉（ròu）模（mó）块驱动器进行了（le）重点设计和研发（fā）。柔性的“人（rén）工（gōng）肌肉”是本研（yán）究中的硬件核（hé）心所（suǒ）在。肌（jī）肉模块（kuài）是由电机通（tōng）过（guò）滑轮绕线驱动，为了（le）让（ràng）机器人（rén）有一定的自（zì）体（tǐ）柔性，研究者们在（zài）每（měi）一个（gè）“人工（gōng）肌肉（ròu）”末端添（tiān）加了一个（gè）非线（xiàn）性弹（dàn）性单元（yuán）（NEU）。非线性弹性单元由一个纤维增强的弹性圈充当（dāng），自身具有柔（róu）性（xìng），非（fēi）常适合于环境交互。每一个肌（jī）肉驱动单元都含有（yǒu）可以测量（liàng）肌肉（ròu）张（zhāng）力，肌肉温度以及肌肉长度的传（chuán）感器。肌肉模块连接（jiē）到骨架上，非（fēi）线性弹（dàn）性单（dān）元连接到（dào）肌肉末（mò）端。像人类一样，Musashi的（de）关节由一对肌肉（ròu）模块以对抗（antagonistic）的形式（shì）安装驱动。

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驱动单（dān）元设计

机器（qì）人（rén）的（de）手臂结（jié）构如图，Musashi的手臂基本上是按照人类（lèi）的（de）手（shǒu）臂进行设计。并且（qiě）进（jìn）行了（le）模（mó）块化设（shè）计和组装。它的其余部分（例如腿（tuǐ）部）等（děng）需（xū）要肌肉驱动的关节都可以利用模块化设（shè）计组装。在机器人（rén）的每一个（gè）关节里包含有位置传感器，IMU等传感器，能够读取到每一个（gè）关节的（de）角度和（hé）姿态（tài）。

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机械（xiè）手（shǒu）模块化设计（jì）说明（míng）

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变刚度手（shǒu）臂

为了尽可能（néng）的模仿人类驾驶员的特性（xìng），研究者没有采用（yòng）3d扫描（miáo）传感（gǎn）器，而是在Musashi的头部（bù）具有两（liǎng）只可动2维（wéi）摄像机充当眼睛（jīng），可以左右（yòu）和上下旋转，主要作用是（shì）采（cǎi）集图像信息用于（yú）识别。

Musashi的手（shǒu）指采用弹簧柔性结构（gòu）设计。当（dāng）两（liǎng）边线都收紧式，手指（zhǐ）处于大刚度状态。这款机械手在（zài）冲击下不会被损坏，另外（wài）在指尖部位和手掌部分都有用来（lái）检测接触的（de）压力传感器。

Musashi的足部有着（zhe）6维力传感器，分别分布（bù）在（zài）脚（jiǎo）趾（zhǐ）和脚后跟处，可以全面感知脚受到（dào）的力的大小和（hé）方向。

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细节（jiē）设（shè）计：眼（yǎn）部设（shè）计，变刚度机械手（shǒu），足部（bù）传感

借助于高度拟人化的硬件设（shè）计，Musashi可（kě）以实现以（yǐ）下功能和动作。首先它（tā）可（kě）以完美的坐到一部小型家用电动车中。可（kě）以通（tōng）过头部和眼球（qiú）的转动识别周围的环境，例如通过（guò）后视镜的（de）反射可（kě）以（yǐ）识（shí）别人类；柔性机械臂和机（jī）械手可以（yǐ）抓握方向盘并（bìng）且进行转向操作（zuò）。

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基本动作和功能：后视镜（jìng）人（rén）像识别和双手转方向盘

另外Musashi也可以完成例如拧车钥匙，以及拉手（shǒu）刹等在（zài）驾驶过（guò）程中（zhōng）一些必备的，看似简（jiǎn）单，实际对大多（duō）数机器（qì）人来说比较难以在（zài）狭小空间完成的基本（běn）动作。

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基本动作（zuò）：拧车钥匙和（hé）拉（lā）手刹

借（jiè）助（zhù）于足部（bù）的传感（gǎn）器和腿的设计，Musashi可以实现踩油门（mén）和踩刹（shā）车的（de）功（gōng）能。另外当（dāng）足部上方被刹车油门卡住（zhù）后（hòu），力传（chuán）感器可以检（jiǎn）测出，从而让Musashi做出反应，避开刹车（chē）油（yóu）门（mén）的干扰。

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基本动作（zuò）：踩油（yóu）门，踩刹（shā）车

在具（jù）备了柔性的身体结构（gòu）和冗余传（chuán）感（gǎn）信息，为了（le）实（shí）现机器人驾驶汽车的（de）功能，研究者们采用一种（zhǒng）基于（yú）机器学（xué）习（learning based）的运动（dòng）生成（chéng），基于机（jī）器学习（xí）的识别（bié），以及基于（yú）快速反射（shè）弧（hú）的控（kòng）制方法，详细的机器学习算法（fǎ）请参照（zhào）具体论文。

研（yán）究者规定了一些基本的驾驶汽车的（de）动作，将（jiāng）他们分为两种（zhǒng）类别，静态（tài）行为（wéi）和动态行为。静态行为指的是转方向盘，研究者用在线（xiàn）学习的（de）方式，训练（liàn）机（jī）器人掌握操作方向盘的（de）行为，图中显示出了方向盘角度和（hé）肌肉张（zhāng）力随着时（shí）间的变化规律。

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转方向盘（pán）在线（xiàn）机器学习

踩油门和刹车（chē）是需要（yào）机器人（rén）做出快速（sù）响应（yīng）的，例如在红（hóng）绿灯状态下的启动（dòng）和刹（shā）车，以及在前方有（yǒu）行人时的（de）刹车。研究者采用（yòng）离线学习的方式来训（xùn）练机器人的动态响应。

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踩油门训练

在识别部分，像人类驾驶员（yuán）一样，研（yán）究者主要利（lì）用机器（qì）学习训练识（shí）别了视（shì）觉和声（shēng）音信（xìn）息，通过训练，可以识别物体信息和声音（yīn）信息，例如，汽车，人，交通灯，以（yǐ）及喇（lǎ）叭声等。研（yán）究者进行测试的场（chǎng）地是在车人（rén）非常稀少的街道上。

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测试场地和机（jī）器人视觉识（shí）别（bié）

Musashi驾驶一辆小型（xíng）改装的（de）电（diàn）动车进行试验。其中，能源（yuán）和计算（suàn）机控制中枢都被（bèi）安装于车厢尾部，另（lìng）外（wài）还包括一（yī）个无（wú）线通讯模块。为了安（ān）全（quán）起见，该车辆的电机扭矩被限制在5Nm之内，同时有一个应急按钮（niǔ）以防止出危险。

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驾驶汽车上配置（zhì）电（diàn）源和计算机

Musashi可以通过简单的反射弧控制（zhì）算法来对外界做出反应。研究（jiū）者展示（shì）了一个很（hěn）经典的场景，即在（zài）车辆前方有人或（huò）者汽车通过时，快（kuài）速踩下刹车做出反应。基于Musashi的识别系统，它可（kě）以有效地识别在前方通过的（de）人，以及即将到来的汽车，并做出反应。研究者指出（chū），为了让机（jī）器（qì）人的控制（zhì）系统更加智能（néng），在（zài）更多的环境（jìng）中（zhōng）去训练机器人（rén）的（de）识（shí）别（bié）模型时非（fēi）常有（yǒu）必要的。

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驾（jià）驶过程中的鸣笛声或（huò）者人（rén）类检测

另一个测试场景是让Musashi自动驾（jià）驶通过一个（gè）有着红绿灯的十字路口。在（zài）这项实验（yàn）中，Musashi的驾驶速度非常的（de）缓慢（màn）（5km／s）。当十字路口的等变为绿色时，操作人员对机器人发出转弯的指令，Musashi可以驾驶小车用双手实现90度的转弯。整个过程持（chí）续（xù）大约2分钟，相对来说比较缓慢和不流畅。

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驾驶过程中的红绿灯检测

三． 总结与未来展望

虽（suī）然自动驾驶（shǐ）汽车要比用“人形机器（qì）人”驾驶（shǐ）汽车更为可靠，更舒适，更安全，但是（shì）小编相信（xìn），对（duì）于“人形机器人“的（de）诸如此（cǐ）类的（de）深入（rù）研究还是有很重要和深远意义的。驾驶汽车这（zhè）项任务将（jiāng）机器人束缚在一个极其复杂（zá）的（de）环（huán）境中，需要（yào）机器人去（qù）操作（zuò）方向盘，踩油门，拉（lā）手刹，拨转（zhuǎn）向灯等。无疑来说是一（yī）项很（hěn）有挑战性（xìng）的任务。进行相关的研究可以极大的促进”人（rén）形（xíng）机器人“的发展（zhǎn）。

本文的研究（jiū）者指出（chū），当前（qián）的研究（jiū）还有很多方面需要改进，例如在（zài）脚踏（tà）板的操作（zuò）和（hé）方向盘的操作方面（miàn），都不够顺（shùn）滑，以及速度较慢，远远没有办（bàn）法和人（rén）类进行（háng）比较。同时机器人的识别模型还需要进（jìn）一步（bù）的完（wán）善和（hé）强（qiáng）化，以适应更复杂的环境。在（zài）未来的研究（jiū）中，研究者会（huì）考（kǎo）虑让机器（qì）人尝试不（bú）同的汽车，从而进一（yī）步（bù）提升人形机器人的性能。

相关论（lùn）文信息：

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．

东京大学人形（xíng）机器（qì）人论（lùn）文：

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．