两种（zhǒng）类型的“机器人”驾驶：自（zì）动驾驶和（hé）DARPA机（jī）器人比赛

但是人形（xíng）机器人驾驶（shǐ）汽（qì）车的研（yán）究（jiū）也是（shì）有很重要的意义的：2015年（nián）在美国举办的DARPA机器人挑战赛里就有（yǒu）一项机（jī）器人充当司机驾驶吉普车的（de）任务。小编私以（yǐ）为，研究人形机器人可以（yǐ）提升人形机器人的功能性，驾（jià）驶作为（wéi）一个需要（yào）综合多方面因素（sù）的任务（集合机器人设计，运动控制，人工（gōng）智能算法等（děng）），可以很（hěn）好的作为一个特定（dìng）的研（yán）究课题来提升人形机（jī）器人的综合性能；另外，研究人形机器人驾驶还（hái）将成果转移到开发相（xiàng）应的机械（xiè）臂或者机械（xiè）腿（tuǐ），来为肢体有残缺（quē）的（de）人士（shì）提供可（kě）靠的功能性的智能义肢，让他们能够（gòu）拥有和（hé）其他人一样（yàng）的生活（huó）和运动能力。

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呆萌的（de）老司机Musashi人形机器人

近期来自日本东（dōng）京大学的研究（jiū）团队（duì）基于（yú）他们之前的人形机器人的研究，研（yán）发了一（yī）款用于驾驶汽车的人形机（jī）器人司机，并将研究成（chéng）果刊登于国际机器人期刊《IEEE机器（qì）人（rén）与自动化杂志（Robotics and automation magazine）》，论文信息请看文末。这位（wèi）机器人老司机名（míng）叫（jiào）Musashi，不同于大多数人形机（jī）器人依（yī）靠关节电机驱（qū）动，Musashi被（bèi）设计为具有像人一样（yàng）的肌肉（ròu）－骨（gǔ）骼结构。他（tā）全神（shén）具有74块人工肌肉，以及39个（gè）关节（不（bú）包括手部的关节（jiē））。而（ér）本研究的亮点（diǎn）也（yě）就是尽量模仿人类（lèi）的动作（zuò）和功能来实（shí）现机器人的（de）自（zì）动（dòng）驾驶。（东京（jīng）大学的人形机器人团（tuán）队曾经于2017年（nián）刊登一篇（piān）《科学机器人学》（Science Robotics）封面文章，详（xiáng）细讲解了（le）他们（men）的“肌肉－骨骼”人形机器（qì）人系统设计，感兴趣的可以（yǐ）参考文末的论（lùn）文（wén）链接。）

我们先（xiān）来欣赏一（yī）下“机（jī）器人（rén）老司（sī）机”的一些镜（jìng）头！文末附有完整（zhěng）的（de）视频。在下一部分会为大家介绍如何设计以及实现人形机（jī）器人驾驶。

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单（dān）手玩儿方向盘，不安（ān）全噢！

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双（shuāng）手（shǒu）转方向盘，这才是（shì）正确操（cāo）作吧！

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踩油门（mén）

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细节（jiē）动作：拧钥匙，拉手（shǒu）刹，打转向灯

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后（hòu）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（gǔ）骼肌（jī）肉”系统设计以及（jí）控制（zhì）

“肌肉－骨骼”机器人Musashi模仿人类的身体结构设（shè）计和制造，具有冗（rǒng）余的（de）传感器（qì）和柔（róu）性的身体结构。这些特性非常适合（hé）在复杂（zá）的环境中交互，例如在狭小的（de）汽（qì）车中驾驶的（de）行为。研究（jiū）者（zhě）期望设（shè）计的机器人能够（gòu）坐到（dào）汽车座位中，并且可以用脚踩刹车和油门，同时可（kě）以用双手操作方向盘（pán）。为了（le）实现上述的目的，研究（jiū）者需要从硬件和（hé）软件（jiàn）等（děng）多个方面综合（hé）设（shè）计（jì）这款机器人，具体（tǐ）包括：1． 机器（qì）人（rén）身体比例；2．机（jī）器人身体的柔性；3． 冗（rǒng）余传感系统和一个可以控（kòng）制机器（qì）人（rén）“智能系统”。

研（yán）究者对Musashi的肌肉模块驱动器（qì）进行了重点设（shè）计和研（yán）发。柔性（xìng）的“人工肌肉”是本研（yán）究中的硬件核心所（suǒ）在。肌肉模块（kuài）是由电机通（tōng）过（guò）滑轮绕线驱动（dòng），为（wéi）了让机器人有一定的自体柔（róu）性，研究者们在每一个“人工肌肉”末端（duān）添加了一个非线（xiàn）性（xìng）弹性单（dān）元（NEU）。非线性弹性（xìng）单元由（yóu）一个纤维增（zēng）强的弹性圈充（chōng）当，自（zì）身具（jù）有柔性，非常适合于环境交互。每一个肌肉驱动单元都含有可以（yǐ）测量肌肉张力，肌肉温度（dù）以及肌肉（ròu）长度的传感器。肌肉（ròu）模块连接到骨架上（shàng），非线性弹（dàn）性（xìng）单元连接到肌肉末端。像人（rén）类一样，Musashi的关节由一（yī）对肌肉模块以对抗（antagonistic）的形式安装（zhuāng）驱（qū）动（dòng）。

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驱动单元设计

机器人（rén）的手臂结构如图，Musashi的手（shǒu）臂基本（běn）上是按（àn）照人类的（de）手臂进（jìn）行设计。并且进（jìn）行了模块化设计和组装。它的其（qí）余部分（例如腿部）等需要肌（jī）肉驱动的关（guān）节都（dōu）可以利用模块化设计组装（zhuāng）。在机器人的每一个关节里包（bāo）含（hán）有位置传感器，IMU等（děng）传感器，能够读取（qǔ）到每（měi）一个关节的角（jiǎo）度（dù）和姿态。

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机械手模（mó）块化设计说明

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变刚（gāng）度手臂（bì）

为了（le）尽可能的模仿人类驾（jià）驶（shǐ）员（yuán）的特性，研究者没有采用3d扫描传感器，而是在Musashi的头部具有两只可动2维摄像机充当眼睛，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的手指采用弹簧柔性（xìng）结构设计。当两边线都收紧式，手指处（chù）于大刚度状态。这款机械手在冲击下不会被（bèi）损坏，另外在指尖部位和手（shǒu）掌部分都有用来检测接触（chù）的压（yā）力传感器。

Musashi的足部有着6维（wéi）力传感器，分别分布（bù）在（zài）脚趾和脚后（hòu）跟处，可以全面感知脚（jiǎo）受到的（de）力（lì）的大小和方向。

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细节设计：眼（yǎn）部设计，变刚（gāng）度（dù）机械手，足部传感

借助于高度拟人化的（de）硬（yìng）件设计（jì），Musashi可以实现以下功能和动作（zuò）。首（shǒu）先它可以完美的坐（zuò）到（dào）一（yī）部小型家用电动车中。可以通过头部和眼球的转动识别周围的环境，例如（rú）通过后（hòu）视（shì）镜（jìng）的反射可以识别人类；柔性机（jī）械（xiè）臂和机械手可以抓握（wò）方向盘并且（qiě）进行（háng）转向操作（zuò）。

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基本（běn）动作和功（gōng）能：后视镜人（rén）像识别和双手（shǒu）转方向盘

另（lìng）外Musashi也可以完（wán）成例如（rú）拧车钥（yào）匙，以及拉手刹等在驾驶过程中一些必备的，看似简单，实际对大多数机器人来（lái）说比较难（nán）以在狭小（xiǎo）空（kōng）间完成的（de）基（jī）本动作。

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基本动作：拧车（chē）钥（yào）匙和拉手刹

借助于足部的传（chuán）感器和腿的设（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卡住后，力（lì）传感（gǎn）器可以检测出，从而让Musashi做（zuò）出反应，避（bì）开刹车油门的干扰。

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基本动作：踩油（yóu）门，踩刹车

在具备（bèi）了柔性的身（shēn）体结构和冗余传感信息，为了实现机器人驾驶（shǐ）汽车的功能，研（yán）究者们采用（yòng）一种基于机器（qì）学习（learning based）的（de）运动生成，基于机器学习的识（shí）别（bié），以及基于快速反射弧的控制（zhì）方法，详细的机器学习算法请（qǐng）参照具（jù）体论文。

研究者规（guī）定（dìng）了一些基本的驾驶汽车的（de）动（dòng）作，将他们分为（wéi）两种类别，静态行为和动态行为。静态行为指的（de）是转方向盘，研究者用在线学习的方（fāng）式，训练（liàn）机器人掌握操作方（fāng）向盘的行为，图中显示出了方向盘角度和肌肉张力（lì）随（suí）着时（shí）间的变化规律。

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转方向（xiàng）盘在线机（jī）器学习（xí）

踩油门（mén）和刹车是（shì）需要机器（qì）人做（zuò）出快（kuài）速响应的，例如在红绿灯状态下的启动和刹车，以（yǐ）及在（zài）前方有行人时（shí）的刹（shā）车（chē）。研究（jiū）者采用离线学习的方式来训练机器人的动态响（xiǎng）应。

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踩油（yóu）门训练

在（zài）识别部分（fèn），像人类驾驶员一样（yàng），研（yán）究者主要利用机（jī）器学习训练识别了（le）视觉和声（shēng）音信（xìn）息，通过训练，可以识别物体信息和（hé）声音信息，例如，汽车，人，交通灯，以及喇叭声等（děng）。研究者（zhě）进行测试的场（chǎng）地是在（zài）车人非常稀少的（de）街道上。

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测试场（chǎng）地和机器人视觉识别

Musashi驾驶一辆小型改（gǎi）装的电动（dòng）车进行试验。其中，能源和计算机控制中枢都（dōu）被（bèi）安装于车厢尾部（bù），另外还（hái）包（bāo）括（kuò）一（yī）个无线通讯模块。为了安全起见，该车（chē）辆的电（diàn）机扭（niǔ）矩（jǔ）被限制（zhì）在5Nm之内（nèi），同（tóng）时（shí）有一个（gè）应急按钮以防止（zhǐ）出危险。

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驾驶汽（qì）车（chē）上配置电源和计算机

Musashi可以（yǐ）通过简（jiǎn）单的（de）反射（shè）弧控制（zhì）算法来对外界做出反应。研究者展（zhǎn）示了一个很经（jīng）典的场（chǎng）景，即在车（chē）辆前方有人或者汽车通过时（shí），快速踩下刹车做出反应。基于Musashi的识别系统（tǒng），它可（kě）以（yǐ）有效地识别在（zài）前方通（tōng）过的人，以及即将到（dào）来的汽车（chē），并做出反应。研究者指出，为了让机器人的控制（zhì）系统（tǒng）更加智能，在更多的环境中去训练机（jī）器人的识别模型时非常有必要的。

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驾驶（shǐ）过程中的鸣笛（dí）声或者人类（lèi）检测（cè）

另一个测（cè）试场（chǎng）景是（shì）让Musashi自动驾驶通过（guò）一个（gè）有着红绿灯的十字路口。在这项实验中，Musashi的驾（jià）驶速度非常（cháng）的（de）缓慢（5km／s）。当十字路口的（de）等变为绿色（sè）时，操作人员对机器（qì）人发出转（zhuǎn）弯的指（zhǐ）令，Musashi可以（yǐ）驾驶（shǐ）小车用（yòng）双手实（shí）现90度（dù）的转弯（wān）。整（zhěng）个过程持续大约2分钟，相对来说比较（jiào）缓慢和不流畅。

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驾驶过（guò）程（chéng）中的红绿灯检测（cè）

三． 总结与（yǔ）未来（lái）展望

虽然自动驾（jià）驶汽车要比用“人形机器人”驾驶汽车更为可靠，更舒适，更安全，但（dàn）是（shì）小编相信，对（duì）于“人形机器人“的诸如（rú）此（cǐ）类的深入（rù）研究还是有很重要和深远意义的。驾驶汽车这项任（rèn）务将机器人束缚在一个极其复（fù）杂的环境中，需（xū）要机器人（rén）去操作方（fāng）向（xiàng）盘（pán），踩油门，拉手刹，拨（bō）转向灯等。无疑来说是（shì）一（yī）项很有挑战性的（de）任务（wù）。进行相关的研（yán）究可以极大的（de）促进”人形机（jī）器人“的发展。

本文的研究者指出，当（dāng）前的研究还（hái）有很多（duō）方面需要改进（jìn），例如在（zài）脚（jiǎo）踏板的（de）操作和方向盘的操作方面，都不（bú）够顺（shùn）滑，以及（jí）速度（dù）较慢，远远没有（yǒu）办法和人类进（jìn）行（háng）比（bǐ）较。同时机（jī）器人的识别模型还需要进一步的完（wán）善和强（qiáng）化，以适应更复（fù）杂的环境。在未来的研究中，研究者会考虑让（ràng）机（jī）器（qì）人尝（cháng）试不同的汽车，从而进一步提升人形机（jī）器人的（de）性能。

相关论文（wén）信（xìn）息（xī）：

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．

东京大学人形机器人（rén）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．