两种类型的“机器人”驾（jià）驶：自动驾驶和DARPA机器人比赛

但是（shì）人形机器人驾驶汽车的（de）研究（jiū）也是（shì）有很重要的意义的：2015年在（zài）美国举办的DARPA机器人挑（tiāo）战赛里就有一（yī）项机器人（rén）充当司机驾驶吉普车的任务。小编私以为，研究人形机器人可（kě）以（yǐ）提（tí）升（shēng）人形（xíng）机（jī）器人的（de）功（gōng）能性，驾驶作为一个需要（yào）综合（hé）多方面因素的任务（集合机器人（rén）设计（jì），运动（dòng）控制，人工智能算法等），可以很好的作为（wéi）一个（gè）特定（dìng）的研（yán）究（jiū）课题来提升人形机器人的（de）综合性能；另外，研究人形机器人驾驶还将成果（guǒ）转移到开发相应的机械臂（bì）或者（zhě）机械腿，来为肢体有残缺的人士提供可（kě）靠的（de）功能性的智能（néng）义肢，让（ràng）他们能够拥（yōng）有（yǒu）和其（qí）他人（rén）一样的生活和（hé）运动能力。

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呆萌的老司机Musashi人形机（jī）器人

近期来自日（rì）本东京大学的研究团队基于他们之前（qián）的人形机器（qì）人（rén）的研究，研发了（le）一款用于驾驶汽车的人形机器人（rén）司机，并（bìng）将研究成果刊（kān）登于国际机器人期刊《IEEE机器（qì）人与自动化杂志（zhì）（Robotics and automation magazine）》，论文信息请看文末。这位机器（qì）人（rén）老司机名（míng）叫Musashi，不同于（yú）大多数人形机器人（rén）依靠关（guān）节电机驱动，Musashi被（bèi）设计为具有（yǒu）像（xiàng）人一样的肌肉（ròu）－骨骼结构。他全神具有（yǒu）74块人工肌肉，以（yǐ）及39个关节（不包括手部的关（guān）节）。而（ér）本研究的亮（liàng）点也就（jiù）是尽量（liàng）模仿人类的（de）动作和功能来实现机器人的自动驾驶。（东京大学的人形机器人团队（duì）曾经于2017年刊登（dēng）一篇《科学机器人学》（Science Robotics）封（fēng）面文章（zhāng），详（xiáng）细讲（jiǎng）解了他们的（de）“肌肉（ròu）－骨骼”人形机（jī）器（qì）人（rén）系（xì）统设计，感（gǎn）兴趣的可以参考文末的论文链接。）

我们先来欣赏一下“机器人老司机（jī）”的一些镜（jìng）头！文末（mò）附有（yǒu）完整的视频。在下一部分会（huì）为大家介绍（shào）如何设（shè）计以（yǐ）及实现人形机器人驾驶。

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单手玩儿（ér）方向盘，不安全（quán）噢！

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双手（shǒu）转方（fāng）向盘，这（zhè）才是正确操作吧！

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踩油（yóu）门

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细节动作：拧钥匙，拉手（shǒu）刹，打转向灯

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后视镜识别人

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培（péi）训（xùn）完成，老司机上路啦！

二． 类人机器人（rén）的“骨骼肌肉（ròu）”系统设计以及（jí）控制

“肌肉（ròu）－骨（gǔ）骼（gé）”机器人Musashi模仿人类的身体结构设计（jì）和（hé）制造，具有冗余的传感器和柔性的身（shēn）体（tǐ）结构。这些特（tè）性非常适合在复杂的（de）环境中交互，例如在狭小的汽车中驾驶的行为。研究者期望设计的机器人能够（gòu）坐（zuò）到汽车座位中，并且可以用脚踩（cǎi）刹车和油门，同时可以用双手操作方向盘。为了实现上述的目的，研究者需（xū）要从硬件和（hé）软件等多个（gè）方（fāng）面综合设计这（zhè）款机器人，具体包括（kuò）：1． 机器人（rén）身体比例；2．机器人身体的柔性（xìng）；3． 冗余传感系统和一个可以控（kòng）制（zhì）机（jī）器人“智能系（xì）统”。

研究者对Musashi的肌肉模块驱动器进（jìn）行了重点设计和（hé）研发。柔性的“人工肌肉”是本研（yán）究（jiū）中的硬件（jiàn）核心所在（zài）。肌（jī）肉模块（kuài）是由（yóu）电机通过滑轮绕线驱（qū）动，为了让（ràng）机器人有一定的自（zì）体（tǐ）柔（róu）性，研究者们在（zài）每一个“人工肌肉”末端（duān）添加了一（yī）个非线性弹性单元（NEU）。非线性弹性单元由一（yī）个纤（xiān）维增强的弹性（xìng）圈充当，自身具（jù）有柔（róu）性，非（fēi）常适合于环境（jìng）交互。每一个肌肉（ròu）驱动单元都含有可以测量肌肉张（zhāng）力，肌肉（ròu）温（wēn）度以及肌肉长度（dù）的传（chuán）感器。肌肉模块连接到骨架上，非线性弹性单元连接到（dào）肌（jī）肉末端。像（xiàng）人类一（yī）样，Musashi的关节由一对肌（jī）肉模块以对抗（kàng）（antagonistic）的形式（shì）安装驱动。

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驱动单元设计

机器人的手（shǒu）臂结构如图，Musashi的（de）手臂基（jī）本上是按（àn）照人（rén）类的手臂进行设计。并且（qiě）进行（háng）了（le）模块化（huà）设计（jì）和（hé）组装。它（tā）的（de）其余（yú）部分（fèn）（例（lì）如腿（tuǐ）部）等需要肌肉驱（qū）动的（de）关节都可以（yǐ）利用模块化设计组装。在机器人的每一个关节里（lǐ）包含有（yǒu）位（wèi）置传感器，IMU等传感器，能够读（dú）取到（dào）每（měi）一个（gè）关（guān）节的角度和姿态。

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机械手模块化（huà）设计说明（míng）

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变刚（gāng）度手臂（bì）

为了尽可能的（de）模仿（fǎng）人类驾（jià）驶员的（de）特性，研究者没有采用3d扫描传感器，而是（shì）在Musashi的头部具有两只可动2维摄像机充当眼睛，可（kě）以左（zuǒ）右和（hé）上下旋转，主要作（zuò）用是（shì）采集图像（xiàng）信息用于识别。

Musashi的手指采用弹（dàn）簧柔性结构设计。当两边线都收（shōu）紧式，手指（zhǐ）处于大刚（gāng）度状态。这款机械（xiè）手在冲击下不会被损坏，另外在指尖部位（wèi）和手（shǒu）掌部分都有用来检测接（jiē）触的压力传（chuán）感（gǎn）器。

Musashi的足部有着6维（wéi）力传感（gǎn）器，分别分布在（zài）脚趾（zhǐ）和脚后（hòu）跟处，可以全面感知脚（jiǎo）受（shòu）到的（de）力（lì）的大小和方向。

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细节设计：眼部设计，变（biàn）刚度（dù）机械手，足部传感

借助于高度拟（nǐ）人化的（de）硬件设计，Musashi可以实现以下功能和动作。首先它可以（yǐ）完美的坐到（dào）一部小（xiǎo）型家用电动车（chē）中。可（kě）以通（tōng）过（guò）头（tóu）部和眼球的（de）转动（dòng）识别（bié）周围的（de）环境，例如通（tōng）过后视镜的反（fǎn）射可（kě）以（yǐ）识别人类；柔性机械臂和机（jī）械手（shǒu）可（kě）以抓握方向盘（pán）并且进行转（zhuǎn）向操（cāo）作（zuò）。

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基本动作和功能：后视镜（jìng）人像识（shí）别和双手转方向盘（pán）

另外Musashi也（yě）可以（yǐ）完成例如拧车钥匙，以及（jí）拉手刹等在驾驶过程（chéng）中一些必备的，看（kàn）似（sì）简单，实际对大多数机（jī）器人来（lái）说比较难以在狭小空间完成的基本动作。

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基本（běn）动作：拧（nǐng）车（chē）钥匙和拉手刹

借（jiè）助于足部的传感器和腿的设计，Musashi可（kě）以实（shí）现踩油门和踩刹车的功（gōng）能。另外当（dāng）足部（bù）上方被刹（shā）车油门卡住后（hòu），力传感（gǎn）器（qì）可以检测出（chū），从而让Musashi做出反（fǎn）应，避开刹车油（yóu）门的干扰。

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基本（běn）动作：踩油（yóu）门，踩刹（shā）车（chē）

在（zài）具备了柔性的身体结构和冗余传感信息，为了（le）实现机（jī）器人（rén）驾驶汽车的（de）功能，研究者（zhě）们采用一种基于机（jī）器学习（learning based）的运动生成，基于机器学（xué）习的识别，以（yǐ）及基于快速反射（shè）弧的控制方法，详细（xì）的机器学习（xí）算（suàn）法请参照具（jù）体论文。

研究者规定了（le）一些（xiē）基本的驾驶汽车的动作，将他们分为（wéi）两种类别（bié），静态行为和动态（tài）行为。静态行为指的是转方（fāng）向盘，研（yán）究者用在线学习的方式，训练机器人掌握操（cāo）作方向（xiàng）盘的行为，图中显（xiǎn）示出了方向盘角度和肌肉（ròu）张（zhāng）力随着（zhe）时间的变化规律。

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转方向盘在线机器学习

踩油门和刹车是需要机器人做（zuò）出快速响应的（de），例如在红绿灯（dēng）状态下的启（qǐ）动和刹车（chē），以及在前方有行人时的刹车（chē）。研（yán）究者采用离线（xiàn）学（xué）习的方式来（lái）训练机（jī）器人的动态响应。

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踩油门训练

在（zài）识别部分，像人类（lèi）驾驶员一样，研究者主要利用机器学习训练识别（bié）了（le）视（shì）觉（jiào）和声音信息，通（tōng）过训练，可以识别物体信息（xī）和声音（yīn）信息（xī），例如，汽车，人，交通灯，以及（jí）喇叭声等（děng）。研究（jiū）者进行测（cè）试的场（chǎng）地是在车人（rén）非常（cháng）稀少的街道上。

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测试场地和（hé）机器（qì）人视觉（jiào）识别（bié）

Musashi驾驶一辆小型改装的电动车进（jìn）行试验（yàn）。其中，能源（yuán）和计（jì）算机控制中枢都被（bèi）安装于车厢尾部，另（lìng）外还包括一（yī）个无线通讯模（mó）块。为（wéi）了安全（quán）起见（jiàn），该车辆的电机扭矩被限制（zhì）在5Nm之内，同时有一个应急按钮以防止出危险。

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驾驶汽车上配置（zhì）电（diàn）源和计算（suàn）机

Musashi可以通过简单的反（fǎn）射弧控制算法来对外（wài）界做出反应。研究者展示（shì）了一（yī）个很经典的场景，即（jí）在车辆（liàng）前方有人或者（zhě）汽车通过时（shí），快速踩下刹车（chē）做出（chū）反应。基（jī）于Musashi的识别系统（tǒng），它可以（yǐ）有效地识别在前方通（tōng）过的人，以及即将（jiāng）到来（lái）的汽车，并做（zuò）出反（fǎn）应（yīng）。研（yán）究者指出，为了让机器人的控制系统更加智能，在（zài）更多的（de）环境中去训练机器人的识别模型时非常有必要的。

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驾驶过程中的鸣（míng）笛声或者人（rén）类（lèi）检测

另（lìng）一个（gè）测试场景（jǐng）是让Musashi自动驾驶通过一个有着红（hóng）绿灯的（de）十字（zì）路口。在这项实验中，Musashi的驾驶速度（dù）非常的缓慢（5km／s）。当十字路（lù）口（kǒu）的等变为绿（lǜ）色时，操（cāo）作人员对机器人发出转弯的指令，Musashi可以驾驶小（xiǎo）车用双手（shǒu）实现90度的转弯。整（zhěng）个过程（chéng）持续大约2分钟，相（xiàng）对（duì）来说比较缓慢（màn）和不流（liú）畅（chàng）。

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驾（jià）驶（shǐ）过程中的（de）红绿灯检测

三． 总结（jié）与未来展望

虽（suī）然自动驾驶汽车（chē）要比（bǐ）用“人形机器人”驾驶汽车更为可靠，更（gèng）舒适，更安全，但是小编相（xiàng）信，对于“人形（xíng）机器人“的诸如此类的深入研究还是有（yǒu）很重要和深远意义的。驾驶汽车这项任（rèn）务将（jiāng）机器人束缚在一个极（jí）其（qí）复杂的环境中，需要机器（qì）人去操作方向盘（pán），踩油门，拉手刹，拨转向灯等。无疑来说是一（yī）项（xiàng）很（hěn）有挑战性的任务。进行相关的研（yán）究（jiū）可以极大的促进”人（rén）形机器人“的发展。

本文的研（yán）究者指出，当（dāng）前的研究还（hái）有很（hěn）多方面（miàn）需要（yào）改进，例如在脚踏板的操作和方向盘的操作（zuò）方面，都不（bú）够顺滑，以及速度较慢，远远没有办（bàn）法和（hé）人类进行（háng）比较。同时机器（qì）人的识别模型（xíng）还需要进一（yī）步的完善和强化（huà），以适（shì）应更复杂的环境。在未来的研（yán）究中，研究者会考（kǎo）虑让机器人尝（cháng）试不同的汽车，从而（ér）进一步提（tí）升人形机器人的（de）性能。

相关论文信息（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（xué）人（rén）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．