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高峰教授團(tuán)隊“導(dǎo)盲六足機器人”助力改善我國視障人士生活

發(fā)布時間：2024-05-28 閱讀：2986

根據(jù)中國盲協(xié)相關(guān)數(shù)據(jù)，我國約有1731萬視障人士，這意味著每一百人中就至少有一位視障者。他們對物體、方向、位置感知比較差，出行中還可能面臨盲道走不通，電梯沒有語音提示等諸多不便。視障群體想要參加演唱會、逛街、逛公園，參加各種體育活動，感受生活的豐富多彩，這些往往都需要陪同與幫助。目前導(dǎo)盲犬作為盲人出行、參與社會生活的重要伴侶，展現(xiàn)出其不可或缺的溫暖力量。但是，和龐大的視障人士數(shù)量對比，全國現(xiàn)役導(dǎo)盲犬?dāng)?shù)量僅四百多只，也就是四萬多視障人士才配有一只導(dǎo)盲犬。不僅如此，導(dǎo)盲犬的培育還需要極高的培訓(xùn)成本，以及極長的訓(xùn)練周期，并且許多場合能否允許工作中的導(dǎo)盲犬進(jìn)入尚處于討論當(dāng)中，僅僅依靠導(dǎo)盲犬遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足我國千萬余名視障人士的需求。

5月28日，在上海交通大學(xué)“導(dǎo)盲六足機器人”新聞發(fā)布會上，機械與動力工程學(xué)院高峰教授團(tuán)隊研發(fā)的一款“六條腿”導(dǎo)盲機器人吸引了眾多人的目光，該款機器人具有視覺環(huán)境感知功能，可自主導(dǎo)航至目的地、動態(tài)躲避障礙、識別紅綠燈等。據(jù)介紹，該款機器人通過批量化生產(chǎn)、人工智能輔助可有效降低成本、提升智能，解決導(dǎo)盲犬?dāng)?shù)量短缺的問題。不僅如此，通過后臺建立完整的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)體系，導(dǎo)盲機器人還可以實現(xiàn)居家陪護(hù)、應(yīng)急處理，帶領(lǐng)盲人抵達(dá)更多地方等功能。

突破人機交互技術(shù)，讓導(dǎo)盲機器人成為視障人士的“第二雙眼睛”

和盲人建立有效溝通，讓導(dǎo)盲機器人理解使用者意圖同時維持機器人自身動作協(xié)調(diào)是導(dǎo)盲機器人的首要任務(wù)。

高峰教授團(tuán)隊在導(dǎo)盲機器人上集成了聽覺、觸覺和力覺三種交互方式，實現(xiàn)盲人與導(dǎo)盲六足機器人之間的人機智能感知與順應(yīng)性行為。機器人可根據(jù)盲人的語音指令，基于深度學(xué)習(xí)端到端語音識別模型理解語義信息，快速響應(yīng)、準(zhǔn)確識別，目前語音識別準(zhǔn)確率為90%以上，響應(yīng)速度在1秒之內(nèi)。機器人可通過語音下發(fā)指令，如：啟動、停止、設(shè)定目的地、加速、減速等；同時機器人實時反饋行走和環(huán)境狀況等信息，實現(xiàn)雙向智能交互。盲杖可以實現(xiàn)盲人與導(dǎo)盲機器人之間的力覺交互，向盲人提供牽引力和轉(zhuǎn)向力矩，引導(dǎo)盲人前進(jìn)和轉(zhuǎn)向，同時盲人可以推拉盲杖來動態(tài)調(diào)整機器人的行走速度。目前機器人最大速度達(dá)3m/s，能夠滿足盲人慢走、快走、跑步等出行需求，且六足的獨特構(gòu)型優(yōu)勢確保機器人可以低噪聲穩(wěn)定行走。

人機交互與機器人自律協(xié)同控制是機器人融合感知信息、任務(wù)需求、人機交互的指令，利用邏輯推理、自律決策實現(xiàn)智能導(dǎo)盲作業(yè)行為。高峰教授團(tuán)隊基于導(dǎo)盲機器人的動力學(xué)模型，構(gòu)建層級遞進(jìn)式外力估計、觸地檢測、坡度估計、運動狀態(tài)估計模型算法，融合機器人關(guān)節(jié)、慣性導(dǎo)航、行為節(jié)律、歷史狀態(tài)等多源信息，進(jìn)行多目標(biāo)集成的狀態(tài)觀測和反饋優(yōu)化的平衡控制，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)盲機器人在各類地形場景中自律協(xié)同控制效果。

突破基于視覺和力覺的環(huán)境-任務(wù)自適應(yīng)控制技術(shù)，助推盲人“無礙”行走

導(dǎo)盲機器人在復(fù)雜地形行走需要更高的自主規(guī)劃能力，這類自主規(guī)劃功能通常包含地面信息的獲取和建模、定位導(dǎo)航、落腳點的選擇、身體位姿規(guī)劃以及連續(xù)運動的規(guī)劃等。

定位精準(zhǔn)是導(dǎo)盲任務(wù)的核心要求之一，高峰教授團(tuán)隊通過多傳感器數(shù)據(jù)緊耦合方式，建立了雷達(dá)-慣性里程計系統(tǒng)，通過滑動窗口法耦合歷史幀數(shù)據(jù)，大幅減少點云運動畸變，并設(shè)計了多維度的狀態(tài)殘差，顯著提高了系統(tǒng)狀態(tài)估計的精度和魯棒性，實現(xiàn)了三維環(huán)境地圖的精準(zhǔn)建立與機器人自身的精準(zhǔn)定位。

團(tuán)隊基于全局環(huán)境地圖和實時感知的局部動態(tài)地圖，采用模型預(yù)測和實時滾動優(yōu)化方法實現(xiàn)機器人的路徑規(guī)劃和自主避障，敏捷自主躲避靜態(tài)和動態(tài)障礙物，保障導(dǎo)盲任務(wù)的安全性。根據(jù)室內(nèi)導(dǎo)航任務(wù)需求，團(tuán)隊制定了室內(nèi)場景的多層導(dǎo)航策略，構(gòu)建了層次拓?fù)涞貓D實現(xiàn)室內(nèi)全局路徑規(guī)劃；針對室外場景，基于環(huán)境地圖結(jié)合GPS信息進(jìn)行多傳感器融合，大幅提高定位與導(dǎo)航精度。團(tuán)隊還利用深度相機，通過深度學(xué)習(xí)和數(shù)字圖像處理技術(shù)實現(xiàn)對交通信號的辨別，保障出行安全。

團(tuán)隊基于地形變化信息和機器人穩(wěn)定性與運動性的協(xié)調(diào)，可實現(xiàn)各類地形下機器人的步態(tài)規(guī)劃和平滑切換。針對臺階、樓梯等典型地形環(huán)境，采用多約束優(yōu)化算法規(guī)劃機器人穩(wěn)定行走步態(tài)；通過采集機器人腿部足端力覺信息，使用機器學(xué)習(xí)方法來實時辨識足-地接觸模型，實現(xiàn)機器人對不同地形的自適應(yīng)動態(tài)敏捷柔順行走。

產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合，助力導(dǎo)盲機器人走向千家萬戶

高峰教授團(tuán)隊研發(fā)制成的導(dǎo)盲機器人已進(jìn)入實地測試階段。在整個研究推進(jìn)過程中，由視障人士參與線下展示與功能測試，未來團(tuán)隊也將根據(jù)視障人士的實時反饋，對機器人持續(xù)研發(fā)、調(diào)試。導(dǎo)盲機器人的實際應(yīng)用，不單單是機器人本身的應(yīng)用，還需要后臺大數(shù)據(jù)的支持，需要強大的運維團(tuán)隊的支持以及一系列推廣普及的測試。據(jù)了解，團(tuán)隊還與索辰科技密切合作，面向?qū)C器人需求，開展商業(yè)化推廣。上海交通大學(xué)負(fù)責(zé)基礎(chǔ)理論研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，索辰科技負(fù)責(zé)產(chǎn)品工程化以及產(chǎn)業(yè)化運維和推廣，雙方共同努力，并借助社會力量，加快導(dǎo)盲六足機器人的落地使用，為改善我國視障人士生活貢獻(xiàn)一份力量。

媒體報道：

【人民日報】上海交大高峰團(tuán)隊推出“導(dǎo)盲六足機器人”

【央視頻】“六條腿”導(dǎo)盲機器人帥氣亮相！

【新京報】眼鏡能語音轉(zhuǎn)文字，六足機器人精準(zhǔn)導(dǎo)盲，記者實探助殘“黑科技”

【中國青年報】關(guān)注1731萬視障人士，上海交大推出“導(dǎo)盲六足機器人”

【澎湃新聞】上海交大團(tuán)隊研制“導(dǎo)盲六足機器人”：1秒之內(nèi)可響應(yīng)，已在實測

【環(huán)球網(wǎng)】上海交大團(tuán)隊研發(fā)“六條腿”導(dǎo)盲機器人，助力視障人士自主出行

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【上海證券報】1秒內(nèi)響應(yīng)、語音識別準(zhǔn)確率超90% 上海交大導(dǎo)盲六足機器人進(jìn)入實地測試階段

【勞動觀察】“導(dǎo)盲六足機器人”亮相，可助力改善視障人士生活

【東方衛(wèi)視】上海交大研發(fā)“六足導(dǎo)盲犬” 助力改善視障人士生活