两种类型的“机器人”驾驶（shǐ）：自动驾（jià）驶和DARPA机器人（rén）比赛

但是人形机（jī）器（qì）人驾（jià）驶汽车的研究也是（shì）有很重要的意义的：2015年在（zài）美国举办的DARPA机器人（rén）挑战赛里就有一（yī）项机（jī）器人充当司机驾驶（shǐ）吉普车的任务（wù）。小（xiǎo）编私以为，研究人（rén）形（xíng）机（jī）器人可以提升人形机器（qì）人的功能（néng）性，驾驶作为一个需要综（zōng）合多方（fāng）面因素的任务（集合机器人设计，运动（dòng）控制，人工智能算法（fǎ）等），可以很好的作为一（yī）个特定的（de）研究课题来提升（shēng）人形机器人的综合性能；另外，研究（jiū）人形机器人驾驶还将成果（guǒ）转移到开发相应的机械臂或者机械腿，来为肢体有残缺的人士（shì）提供可靠的功能性的（de）智（zhì）能义（yì）肢，让他们能够拥有和（hé）其他人（rén）一样的生（shēng）活和运动能力（lì）。

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呆萌的老司机Musashi人（rén）形机器人

近期来自日本东京大学的研究团队基于他们之前的人形机器（qì）人的（de）研究（jiū），研发了一款用于驾（jià）驶汽车的人形（xíng）机器人司（sī）机（jī），并将研究成果刊登（dēng）于国际机器人期（qī）刊《IEEE机器人与自动（dòng）化（huà）杂志（zhì）（Robotics and automation magazine）》，论（lùn）文信息请看文末。这（zhè）位机器人老司机名叫Musashi，不同于大多数人形机器人依（yī）靠关节电（diàn）机（jī）驱动（dòng），Musashi被（bèi）设计（jì）为具有像（xiàng）人一（yī）样的肌肉－骨骼结构。他全神具有74块人工（gōng）肌肉，以及39个（gè）关节（不包括手部的关节）。而本研究的亮（liàng）点也就是尽量模仿人（rén）类的动（dòng）作（zuò）和功能来实现（xiàn）机器人的自动驾驶。（东（dōng）京（jīng）大学的人形机（jī）器人团队曾经（jīng）于2017年刊登一篇《科学机器人学》（Science Robotics）封面文章，详细讲（jiǎng）解了（le）他（tā）们的“肌（jī）肉－骨骼”人形（xíng）机器人系统设计，感兴趣的（de）可以参考文（wén）末的论（lùn）文（wén）链接（jiē）。）

我（wǒ）们先来欣赏一下（xià）“机器人老司机”的一些镜头！文（wén）末（mò）附有完整的（de）视频（pín）。在下一部分会为大家介绍如何设计（jì）以及实现人形机器人驾驶。

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单手玩儿方向（xiàng）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（dòng）作（zuò）：拧（nǐng）钥匙，拉手刹，打转向灯

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后视镜识别人（rén）

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培训完成，老司（sī）机上路啦！

二（èr）． 类人机器人的（de）“骨骼肌肉”系统（tǒng）设计以及控制

“肌肉－骨骼”机器人Musashi模（mó）仿人类的身体（tǐ）结构设计和（hé）制（zhì）造，具有冗（rǒng）余的传（chuán）感器和柔性的身体结构。这些特性非常（cháng）适合在复杂的环境中交互，例如在（zài）狭小的汽车中驾驶（shǐ）的（de）行（háng）为。研究者（zhě）期（qī）望设（shè）计（jì）的机器人能够坐（zuò）到汽（qì）车座位中，并（bìng）且可以用（yòng）脚踩（cǎi）刹车和油门，同时可（kě）以用（yòng）双手（shǒu）操作方向（xiàng）盘。为了实现上述的目的，研究（jiū）者需要从硬（yìng）件和（hé）软件等（děng）多（duō）个方（fāng）面综合设计这款机器人，具体包括：1． 机（jī）器人身体比例（lì）；2．机器（qì）人身体的柔（róu）性（xìng）；3． 冗余传（chuán）感系（xì）统（tǒng）和一（yī）个可以控制机器人“智（zhì）能系统”。

研究（jiū）者对Musashi的肌肉模（mó）块驱动器（qì）进行（háng）了重点设计和研发。柔（róu）性的“人工肌肉”是本研究中的硬件核心所在。肌肉模（mó）块（kuài）是由电（diàn）机通过滑轮绕线（xiàn）驱（qū）动，为了（le）让机（jī）器（qì）人有一定的（de）自体柔性，研究者们在每一个“人工肌（jī）肉”末端添加了一个（gè）非（fēi）线性弹性（xìng）单元（NEU）。非线性弹性单元由一（yī）个纤（xiān）维增强（qiáng）的弹性圈（quān）充当，自身具有柔（róu）性，非常适合于（yú）环境交互。每一个肌肉驱动单元都（dōu）含有可以测量肌肉张力，肌肉温度以及肌肉长度的传感器。肌肉模块（kuài）连（lián）接到骨架上，非线性弹（dàn）性单元连接（jiē）到肌肉末端。像人类一（yī）样，Musashi的关节由一对肌肉模块以（yǐ）对抗（antagonistic）的形式安装驱（qū）动。

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驱动（dòng）单元设计

机器人的手臂结构（gòu）如图，Musashi的手臂基本上是按（àn）照人类（lèi）的（de）手臂进行设（shè）计（jì）。并且进（jìn）行了模块化设（shè）计和（hé）组装。它的其余部分（例如（rú）腿部）等需（xū）要肌肉驱动的（de）关节都可以利用模块化（huà）设计组装。在机器人的每（měi）一个关节（jiē）里包含有位置传感器（qì），IMU等传（chuán）感器，能够读取到每一个（gè）关节的角度和姿态。

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机械手模块化（huà）设计说明

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变刚度（dù）手臂

为了尽可能的模（mó）仿人类（lèi）驾驶员（yuán）的（de）特性，研究（jiū）者没有采用3d扫描传感器，而是在Musashi的头部具有两只可（kě）动2维摄像机（jī）充当眼睛，可以左右和上下旋（xuán）转，主要作用（yòng）是采（cǎi）集图像信息用于识别。

Musashi的手指采用弹簧柔性结构设计。当两边线都（dōu）收（shōu）紧式，手指处于大（dà）刚度（dù）状态（tài）。这（zhè）款机械手在（zài）冲击下不会被损坏，另外在指尖部位和手掌部分都有（yǒu）用来检测接触的压力传（chuán）感器（qì）。

Musashi的足部有着（zhe）6维（wéi）力传感器，分（fèn）别分（fèn）布（bù）在脚趾和脚后跟处，可以全（quán）面感知脚（jiǎo）受到的力的（de）大小和方向。

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细节设计（jì）：眼部（bù）设计，变刚（gāng）度机械手，足部传感

借（jiè）助于高度拟人化的硬件设计（jì），Musashi可以实现（xiàn）以下功（gōng）能和动作。首先它可以完（wán）美的坐（zuò）到一部小型（xíng）家用电动车中。可（kě）以通过（guò）头部和眼球（qiú）的转（zhuǎn）动识别周围的环境，例如通（tōng）过后视（shì）镜（jìng）的反射可以识别人类（lèi）；柔性机械臂和机械手（shǒu）可以（yǐ）抓握（wò）方向（xiàng）盘并且进行转向操作（zuò）。

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基本动作和（hé）功能（néng）：后（hòu）视镜（jìng）人像识别和双手转（zhuǎn）方向盘

另外Musashi也可（kě）以（yǐ）完成例如（rú）拧（nǐng）车钥匙，以及拉手刹等在驾（jià）驶过（guò）程中一（yī）些必备的（de），看（kàn）似（sì）简单，实际对大多数机器人来（lái）说比较（jiào）难以在狭小（xiǎo）空间完成的基本动作。

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基本动作：拧车钥匙和拉手刹

借助于（yú）足部的传感器和腿的设计，Musashi可以实现踩（cǎi）油门（mén）和踩刹车的功（gōng）能。另（lìng）外（wài）当足部上方被刹车油门卡住后，力传感器可（kě）以检测出，从（cóng）而（ér）让（ràng）Musashi做出（chū）反应，避（bì）开刹车油门的（de）干扰。

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基本动作（zuò）：踩油门（mén），踩（cǎi）刹车（chē）

在具备了柔性的身体（tǐ）结（jié）构和冗余（yú）传感（gǎn）信息，为了实现机器人驾驶汽车的功能，研究者（zhě）们采用一（yī）种基于机器学（xué）习（learning based）的运动生成（chéng），基于机器学习的识别，以及基于快速反射弧的控制方（fāng）法，详（xiáng）细的机器学（xué）习算（suàn）法请（qǐng）参照具（jù）体（tǐ）论文。

研究者规定了一（yī）些基本的驾驶汽车的动作（zuò），将他（tā）们分为两种（zhǒng）类别，静态行为和动态行为（wéi）。静态行为指的是转方向盘，研（yán）究者（zhě）用在线学（xué）习的（de）方式，训练机器（qì）人掌握（wò）操（cāo）作方向盘的行为，图中显示出（chū）了方向盘角度和肌肉张力随（suí）着时间的变化（huà）规律。

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转方向盘在线机（jī）器学（xué）习

踩油门和刹车是需要机（jī）器人做（zuò）出快（kuài）速响应的，例如在（zài）红绿灯状态下的启动和刹车，以及在前方有行人时（shí）的刹车。研究者（zhě）采用离线学习的（de）方式（shì）来训（xùn）练（liàn）机器人（rén）的动（dòng）态响应。

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踩油门（mén）训（xùn）练

在识别部分，像人类驾驶员一样，研究者主要利用机器学习训练识别了视觉和声音（yīn）信（xìn）息（xī），通过训练，可以识别物（wù）体信（xìn）息和声音信息，例（lì）如，汽车，人，交通（tōng）灯，以及喇叭（bā）声等。研究者（zhě）进行测（cè）试的场地是在车人非常稀少的（de）街道上。

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测试（shì）场（chǎng）地（dì）和机器（qì）人视觉识别

Musashi驾驶一（yī）辆小型（xíng）改装的电（diàn）动（dòng）车进行试验。其（qí）中，能源和（hé）计算机（jī）控制（zhì）中枢都被（bèi）安装于车厢尾（wěi）部，另（lìng）外还（hái）包括一个无线通讯模块。为了安全起见（jiàn），该车辆（liàng）的电机扭矩被（bèi）限制（zhì）在5Nm之内（nèi），同时有一个应急按（àn）钮以（yǐ）防止（zhǐ）出（chū）危险。

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驾驶汽（qì）车上配置电源和计算（suàn）机

Musashi可以通过简单的反射弧（hú）控制算法来对（duì）外（wài）界做出反（fǎn）应。研究者展示（shì）了一个很经（jīng）典的场景，即在车辆前方有人或者汽车通过时，快速（sù）踩下刹车（chē）做出反应。基（jī）于Musashi的识别系统，它可以有效地识别在前方通过的人，以及即将到（dào）来的汽车，并做出反应。研究（jiū）者指出（chū），为了让机（jī）器（qì）人（rén）的控（kòng）制（zhì）系（xì）统更加智（zhì）能，在更多的环境中去训练机（jī）器人的识别模型时（shí）非常有必（bì）要的。

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驾驶过程中的鸣笛声（shēng）或者（zhě）人类检测

另一个测（cè）试场景是让Musashi自动驾驶（shǐ）通过一个（gè）有着红绿（lǜ）灯的十字路（lù）口。在这（zhè）项实验中，Musashi的驾（jià）驶速度非（fēi）常的缓慢（5km／s）。当十字路口的等变为（wéi）绿色（sè）时，操作人员对（duì）机器（qì）人（rén）发出转弯（wān）的指令，Musashi可以驾（jià）驶小车用双手实现90度的转弯。整个过程持续大约2分（fèn）钟，相（xiàng）对来说比较缓慢和（hé）不流畅（chàng）。

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驾驶过程中的红绿灯（dēng）检测

三． 总（zǒng）结与未来展望

虽然自（zì）动（dòng）驾驶汽车要（yào）比（bǐ）用“人形机器人”驾（jià）驶汽（qì）车更为可靠，更舒适（shì），更安全，但是小编（biān）相信，对（duì）于“人形机器人“的诸如此类（lèi）的深入研究还是有（yǒu）很重（chóng）要和深远意义的（de）。驾驶（shǐ）汽车这项任务将机器人（rén）束缚在一（yī）个（gè）极其复杂的（de）环境中，需要（yào）机器（qì）人（rén）去操作方向（xiàng）盘，踩油门，拉（lā）手刹，拨转向灯等。无疑来说是一项很有挑（tiāo）战性的任务（wù）。进行相关的研究可（kě）以（yǐ）极大的促进（jìn）”人形（xíng）机器人“的（de）发展。

本文的研究者指出，当前的研究还有很多方（fāng）面需要改进（jìn），例如（rú）在（zài）脚踏板（bǎn）的操作和方向盘的操作方面，都不够顺滑，以及速度较慢，远远没有办（bàn）法和人类进（jìn）行比较。同（tóng）时机器人的识别（bié）模型还需要进一步的（de）完善和强化，以（yǐ）适应（yīng）更复杂的环境。在未来的研（yán）究中，研究者会考虑让机器（qì）人尝试不（bú）同的汽车，从而进一步提升人形机（jī）器人的性（xìng）能。

相关（guān）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（jīng）大学人形机器人论文（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．