中国留学生研发机器导盲犬,可实现批量生产,价格有望低于一万美元

前不久，上海发生“导盲犬排便风波”后，一名50多岁的盲人妇女被质疑“看起来不像盲人”。目前正在加州大学伯克利分校读博士学位的李忠宇看到这则新闻，在朋友圈评论说“这时候就需要机器狗来导盲了”。

就在最近，他与合作者将MIT四足机器人Mini Cheetah改造成了导盲犬机器人（以下简称导盲犬），团队由肖安星、童文哲、杨立志三名本科生组成，博士生李忠宇、曾俊及其导师Koushil Sreenath教授领衔。

如下图所示，一名蒙着眼睛的年轻人在导盲犬的带领下穿过一个由纸板箱组成的迷宫。当他到达一条狭窄的小路时中国留学生研发机器导盲犬,可实现批量生产,价格有望低于一万美元，导盲犬会停下来调整姿势，并拉动牵引绳，让年轻人知道可以安全继续前行。在测试中，导盲犬成功地将他带到了最终目的地，没有发生任何碰撞。

可以分秒必争，不留人

导盲犬本体为Mini Cheetah，是麻省理工学院（MIT）Sangbae Kim教授课题组研发的硬件平台，2019年被借给李忠宇实验室用于算法研究。

导盲犬身上的传感器由2D激光雷达（LIDAR）、3D摄像头，以及安装在绳索上的力传感器组成，力传感器用来检测牵引绳上的拉力，摄像头用来跟踪被引导者并进行光线检测和测距定位。

它还配备了计算机大脑，可以让它四处移动，避免与物体发生碰撞，并遵循预定的路线。机器人顶部的万向架上安装了一个摄像头，可以编程为始终跟随被拖曳的人。

此外，配合Mini Cheetah现有的速度跟踪控制器，可以利用模型预测控制（MPC）来计算导盲犬每只脚跟踪所需速度所需的地面反作用力。

激光测绘系统可用于在全球地图上定位导盲犬。在研究中，李忠宇团队还绘制了相关地图，这些地图可以重复利用，用于在现有地图上规划路线。通过激光雷达，可以实时获取导盲犬在地图上的位置。

这样的好处是，盲人出行前，只需要设定目的地，导盲犬会规划路线、导航。零部件价格方面，2D激光雷达价格在2000元左右，3D摄像头价格不到1400元。李忠宇告诉DeepTech，这在同类机器人中已经算是比较便宜的了。

开发第一个端到端混合物理人机交互模型

研究中，李忠宇团队提出了首个端到端混合物理人机交互（pHRI）模型，并用实验数据验证了混合模型的有效性。据悉，pHRI模型可用于捕捉人机系统的状态，方便进行路线规划和人机交互。

在路径规划器中，他们还开发了混合整数规划方案，以便导盲犬在引导盲人时能够避开障碍物。

导盲犬在工作时，主要依靠绳索引导，以往的机器人导盲工作都是采用刚性的机械臂拉动遮光帘，当经过非常狭窄的地方时中国留学生研发机器导盲犬,可实现批量生产,价格有望低于一万美元，机械臂很容易被卡住，使用绳索可以避免这一缺点。

李忠宇告诉DeepTech，绳索的引入是为了模仿动物导盲犬，绳索可以在松弛和张紧状态之间切换。

实验中，导盲犬穿过一条宽度不足1米的通道，为了让自己和被引领的人能够顺利通过，它会调整姿势，让绳子进入松弛状态，此时盲人会因为感觉不到手上的力量而停下来。

接下来导盲犬价格，穿过狭窄通道后，导盲犬调整姿势，让绳索再次绷紧，盲人会再次感受到手上的牵引力，并继续跟着导盲犬前行。

为了了解导盲犬的导航效果，团队在不同情况下进行了测试。测试环境包含许多元素，包括两个非常狭窄的通道。如果导盲犬不使用绳索，它将无法引导盲人通过。

其算法系统可以帮助盲人穿过模拟的狭窄走廊或门。

在严酷的测试环境中，他们还更换了不同的实验对象，将要使用的地图装在导盲犬身上，简单设定目的地，便可帮助盲人到达目的地，当盲人用手抓住绳索，便可开始行走。

此前，大多数机器人引导系统都具有大型移动底盘，通常需要驱动刚性臂来引导人类。大型轮式平台和驱动臂使其难以在狭窄、杂乱的环境中运行。使用绳索的导盲犬可以避免这个问题。

在研究中，他们将绳子安装在四足机器人上，通过改变绳子的松弛度来适应狭窄的空间。

此外，他们还提出了一种基于交互力的人机交互混合模型，可以利用绳索的张力来描述“导盲犬-牵引绳-人”系统中的动态关系。

该混合模型可用于混合整数规划问题，开发在线轨迹规划器，并利用放松和张力之间的切换来引导盲人在有限的空间内安全行走。

目前导盲犬主要在室内平地场景使用，未来我们会考虑户外上下坡、室内走楼梯、甚至坐电梯等场景。

就上述应用场景而言，相比轮式机器人，导盲犬等四足机器人更具有实现的优势。

现实生活中，狗需要经过严格的训练才能成为导盲犬。据李忠宇介绍，在英国，从预订动物导盲犬到真正收到并能为人类服务，大约需要一年时间。不过，使用这种导盲犬机器人有望实现量产，因此理论上不需要等待太久。

他还表示，动物导盲犬是一种稀缺资源，国内能够使用动物导盲犬的人非常少，往往都是“量身定制”。

一只动物导盲犬所训练的能力无法转移到另一只狗身上，当另一个盲人需要自己的导盲犬时，就需要重新训练，这会再次耗费训练师的时间和精力。

此外，动物导盲犬的另一个缺点是它们无法看地图，无法导航到想要去的地方。比如，你想从家里走到地铁站，你告诉狗，它不会明白。然而，导盲犬机器人却能理解盲人设定的出发地和目的地。

此外，导盲犬机器人的相关代码可直接从导盲犬A复制到导盲犬B，导盲能力也可实现规模化复制，从而惠及更多盲人。

如果有10位盲人需要导盲犬，我们只需要准备10个这样的机器人，复制代码就可以完成导盲工作。

实验结果表明，本次开发的系统可以安全有效地引导用户在眼睛完全遮住的情况下穿越狭窄空间，包括避障和混合状态之间的转换。

如下图所示，在导盲犬的帮助下，大约需要75秒的时间才能引导蒙住眼睛的人到达最终的目标地点。

任务开始时，导盲犬的绳索被拉紧。路线最窄的部分是第二个弯道，此时绳索切换到松弛模式，导致受试者停止行走。

另外，如下图所示，实验开始时测得的牵引绳上的拉力F为12N。从45秒到60秒，当导盲犬接近第二次转弯的狭窄位置时，随着系统模式的切换，绳索上的拉力变得极其小，开始进入放松模式。

此时导盲犬正在改变姿势，以便引导人类完成转弯。在此期间，由于受试者已经感觉不到绳索上的牵引力，因此其运动速度接近于零，即每秒行走0.05m。

60秒后，导盲犬改变姿势，切换为张紧模式，以施加绳索的牵引力，受试者再次感受到绳索的牵引力，并跟随导盲犬到达目的地。

相关论文已收录机器人顶级会议，未来将开发更多创新功能

目前该工作相关论文已被收录于机器人顶级会议IEEE ICRA 2021，除了导盲以外，还能帮助人类拾取物体、进行安全监控等。

未来，李忠宇团队将致力于更加细致的系统建模，尝试研发更多新颖功能的导盲犬导盲犬价格，比如如何规划不同楼层之间的轨迹、如何识别红绿灯、如何带领盲人过马路等。

在落地实施方面，李忠宇表示很高兴看到一些企业能够采用本研究提出的导盲犬解决方案，回馈社会。至于价格，他表示：“导盲犬机器人的价格预计在1万美元以下，一旦导盲犬算法开发出来，我们就可以将其复制粘贴到各种机器狗身上，用不了多久，价格就会越来越低。”