前不久，上海 「導盲犬排便爭議事件」 發生後，50 歲的盲人阿姨被質疑 「不像盲人」。正在加州大學伯克利讀博的李鍾毓，看到該新聞後，在朋友圈評論稱「這個時候就需要機器狗導盲」。
就在最近，他已經和合作者將 MIT 四足機器人 Mini Cheetah，改造成導盲犬機器人（下稱導盲犬）。該團隊由三位本科生肖岸星、童聞哲、楊立之組成，博士生李鍾毓、曾俊、和導師 Prof. Koushil Sreenath 帶領。
如下圖，由導盲犬帶領的蒙眼小伙子，穿過迷宮般的紙板箱後，到達一條狹窄的小路時，導盲犬會停下來調整姿態、並拉上牽引繩，讓小伙子知道繼續前進是安全的。測試中，導盲犬成功地將他引向最終目標，且沒有發生任何碰撞。
可做到分秒不離人
導盲犬的機身是 Mini Cheetah，是由麻省理工學院（MIT） Sangbae Kim 教授課題組開發的硬體平台，在 2019 年租借給李鍾毓所在實驗室用於算法研究。
導盲犬上的傳感器，由 2D 雷射雷達（LIDAR）、3D 相機、以及安裝在繩上的力傳感器組成，其中力傳感器用於探測牽引繩上的張力，相機則用於跟蹤被引導人員，並進行光檢測和測距定位。
它還帶有一個計算機大腦，從而實現四處走動，同時還可避免與物體發生碰撞、並能沿著預定路線行走。其中，相機安裝在機器人頂面的雲台上，經過編程以後，相機可以始終跟隨著被牽引的人。
此外，憑藉 Mini Cheetah 現有的速度跟蹤控制器，其中的模型預測控制（model-predictive control，MPC），可用來計算導盲犬每隻腳所需的地面反作用力，從而來追蹤所需的速度。
雷射測繪系統，可用來定位導盲犬在全局地圖上的位置。研究中，李鍾毓的團隊還測繪出來了相關地圖，該地圖可進行重複利用，並能在已有地圖上規劃路徑。通過雷射雷達，就能實時獲悉導盲犬在地圖上的位置。
這樣的好處是，盲人在出行前，只需設置目的地，導盲犬就能規劃路線、並進行導航。零件價格上，2D 雷射雷達價格是 2000 元左右，3D 攝像頭不到 1400 元。李鍾毓告訴 DeepTech，這在同類機器人中，價格已經比較低廉。
開發首個端到端混合物理人機互動模型
研究中，李鍾毓的團隊提出了首個端到端混合物理人機互動（ physical human-robot interaction，pHRI）模型，並用實驗數據驗證了該混合模型的有效性。據悉，pHRI 模型可用於捕獲人機系統的狀態，並有助於路線規劃和人機互動。
在路徑規劃器中，他們還制定了一個混合整數規劃方案，以便讓導盲犬在帶領盲人行走時，可以避開障礙物。
導盲犬在工作時，主要用繩子引導，之前所有基於機器人的導盲工作，是用剛性的機器手去拉盲人，經過非常狹窄的地方，機器手容易被卡住，使用繩子則可避免這種不足。
李鍾毓告訴 DeepTech，引入繩子是在模仿動物導盲犬，並且繩子能在鬆弛狀態和張緊狀態之間切換。
實驗中，導盲犬通過不到 1m 寬的通道，為了讓自己和被牽引的人順利通過，它會調整姿態，讓繩子進入鬆弛狀態。這時，由於盲人手上沒有感受到力，就會停下腳步。
接下來，在通過狹窄通道後，導盲犬通過調整自身姿態，繩子可再次進入張緊狀態，盲人手上會重新感受到牽引力，從而跟著導盲犬繼續前進。
為獲悉導航效果，團隊就不同情況做了測試，測試環境包含了較多元素，其中有兩個非常狹窄的通道，導盲犬如果不用繩子，就會無法帶領盲人通過。
而它身上的算法系統，可通過模擬的狹窄走廊、或者通過模擬的門等場景，來幫助盲人通過。
在苛刻的測試環境下，他們還換了不同的實驗對象，把要使用的地圖加載到導盲犬身上，只需簡單設置目的地，就可幫助盲人到達目的地。當盲人用手抓住繩子，即可開始行走。
此前，多數機器人的引導系統，都有很大的移動底盤，通常需要驅動剛性手臂來引導人類，較大的輪式平台和驅動臂，導致它們很難在狹窄和雜亂環境中操作。而使用繩子的導盲犬，則可避免這一問題。
研究中，他們把繩子搭載到四足機器人上，通過改變繩子的鬆弛程度，來適應狹窄的空間。
此外，他們還提出一個基於交互力的人機互動的混合模型，它可以用繩子的張力，來描述「導盲犬-牽引繩-人」系統中的動力學關係。
該混合模型可用於混合整數規劃問題，從而開發出一個在線軌跡規劃器，並利用鬆弛緊張兩個狀態的來回切換，來引導盲人在有限的空間中安全行走。
目前，導盲犬主要用於室內平地的情況，未來會考慮戶外上斜坡、下斜坡、走台階甚至是室內坐電梯等場景。
就以上應用場景來說，相比輪式機器人，導盲犬這樣的四足機器人實現起來也比較有優勢。
現實生活中的狗，需要進過嚴格訓練後才能成為導盲犬。據李鍾毓介紹，在英國從預訂一隻動物導盲犬，到真正收到動物導盲犬，並可以為人類服務，需要一年時間左右。而使用這樣的導盲犬機器人，有望大規模生產，理論上無需等待太久。
他還表示，動物導盲犬屬於稀缺資源，中國能用到動物導盲犬的人非常少，而且往往是「量身定製」。
一隻動物導盲犬訓練好的能力，無法移植到另一隻狗上，當另外的盲人需要屬於自己的導盲犬時，就需要重新訓練，這會重新耗費訓練人員的時間和精力。
此外，動物導盲犬的另一個缺點是它們無法閱讀地圖，也無法讓它導航到所需位置，假如想從家中到地鐵站，你對著狗說它也不明白，但對於盲人設置的出發地和目的地，導盲犬機器人是可以理解的。
此外，導盲犬機器人的相關代碼，可從 A 導盲犬直接複製到 B 導盲犬上，導盲能力也可得到大規模複製，從而惠澤更多盲人。
假如有 10 位盲人都需要導盲犬，那只需製備 10 台這樣的機器人，並將代碼進行複製，即可進行導盲工作。
實驗結果表明，本次開發的系統，可安全有效地指導、眼睛被完全蒙住的使用者通過狹窄空間，包括避障和混合狀態的轉換。
如下圖所示，藉助導盲犬的引導，引導蒙住眼睛的人到達最終目標位置，耗時約 75 秒。
在任務開始時，導盲犬的繩子被拉緊。路程中，最狹窄的地方位於在第二個拐口，這時繩子會切換到鬆弛模式，從而引導被試者停止走動。
此外，如下圖所示，實驗開始時測得的牽引繩上的張力 F 為 12N，從 45 秒到 60 秒時，當導盲犬走近第二個拐口的狹窄位置時，隨著系統的切換模式，繩子上的張力變的極小並開始進入鬆弛模式。
這時，導盲犬正在更改其姿態，以便它能夠引導人類通過拐口。在此期間，受試者停止移動，因為這時受試者不再能感受到繩上的牽引力，因此其運動速度接近零，即每秒鐘行走 0.05m。
60 秒之後，導盲犬改變自身位置，並切換到張緊模式，以便應用繩子的牽引力，受試者再次感受到繩子牽引力，從而跟隨導盲犬到達目的地。
相關論文已被機器人頂會收錄，未來會開發更新穎的功能
目前，該工作的相關論文已經被機器人頂會 IEEE ICRA 2021 收錄。除了導盲，它還可幫人類取物、以及進行安防監控等。
未來，李鍾毓的團隊將專注於更細緻的系統建模，並嘗試研發出具備更新穎的功能的導盲犬，比如怎樣在不同樓層間做軌跡規劃、怎樣辨別紅綠燈以及帶領盲人過馬路等。
在落地方面，李鍾毓表示非常樂見有企業能採取本次研究提出的導盲解決方案，從而實現回報社會。對於價格，他表示：「導盲犬機器人的價格有望低於一萬美元。一旦開發了一種導盲算法，我們就可以為各種機器狗複製粘貼。不會太久，價格會越來越低。」
來源：kknews5位中國留學生研發機器導盲犬，通過「複製粘貼」可實現批量生產
