基于四足機(jī)器人的人工智能綜合實(shí)踐案例設(shè)計(jì)*

摘" 要" 基于四足機(jī)器人，從基礎(chǔ)模塊、運(yùn)動(dòng)模塊、感知模塊、綜合模塊四個(gè)方面設(shè)計(jì)一個(gè)人工智能綜合實(shí)踐案例。綜合實(shí)踐案例可作為理論教學(xué)配套的實(shí)踐平臺(tái)，也可以作為學(xué)生參加大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目、學(xué)科競(jìng)賽的載體，充分發(fā)揮學(xué)生的主體性，有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞" 新工科；四足機(jī)器人；人工智能；實(shí)踐平臺(tái)；大創(chuàng)項(xiàng)目；學(xué)科競(jìng)賽

中圖分類號(hào)：G642.44" "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2022）10-0020-03

0" 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人工智能漸漸走進(jìn)人們的日常生活，社會(huì)對(duì)人工智能人才的需求不斷增加。近幾年，很多高校先后開設(shè)人工智能專業(yè)，根據(jù)教育部發(fā)布的2018—2020年度普通高等學(xué)校本科專業(yè)備案和審批結(jié)果，共有345所高校開設(shè)人工智能專業(yè)[1-3]。隨著人工智能專業(yè)不斷開設(shè)，人工智能專業(yè)培養(yǎng)體系、人工智能人才培養(yǎng)模式，尤其是新工科背景下如何加強(qiáng)人工智能專業(yè)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力、如何培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)造能力等問(wèn)題，成為學(xué)術(shù)界關(guān)注的焦點(diǎn)。

新工科理念強(qiáng)調(diào)實(shí)踐與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，強(qiáng)調(diào)學(xué)校要通過(guò)廣泛搭建創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐平臺(tái)，努力實(shí)現(xiàn)50%以上的工科專業(yè)學(xué)生參加“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”，參與一項(xiàng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)賽事活動(dòng)，切實(shí)提高新工科人才的實(shí)踐創(chuàng)新能力[4]?；谶@一理念，設(shè)計(jì)一個(gè)基于四足機(jī)器人的人工智能綜合實(shí)踐案例，旨在通過(guò)一系列實(shí)踐教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐、解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

1" “絕影Mini Lite”四足機(jī)器人

絕影四足機(jī)器人是杭州云深處科技有限公司生產(chǎn)的系列機(jī)器人，包括“絕影Pro”“絕影”“絕影Mini”“絕影Mini Lite”等系列。“絕影Pro”面向復(fù)雜、危險(xiǎn)等環(huán)境下的應(yīng)用要求，為消防救援、反恐、排爆等應(yīng)用場(chǎng)景提供智能化解決方案。

“絕影”面向智慧安防、電力/鐵路巡檢、智能物流等應(yīng)用場(chǎng)景。“絕影Mini”和“絕影Mini Lite”是輕量化、小型版的四足機(jī)器人，面向教育科研市場(chǎng)，具備語(yǔ)音交互、聲源定位等功能，并且擁有地圖構(gòu)建、自主導(dǎo)航、智能避障、人體跟隨等能力，可進(jìn)行二次開發(fā)[5]。本文基于“絕影Mini Lite”四足機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2" 人工智能綜合實(shí)踐案例設(shè)計(jì)

基于四足機(jī)器人，從基礎(chǔ)模塊、運(yùn)動(dòng)模塊、感知模塊、綜合模塊四個(gè)方面設(shè)計(jì)一個(gè)人工智能綜合實(shí)踐案例，表1列出各個(gè)模塊對(duì)應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容、課程及實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。

2.1" 基礎(chǔ)模塊

基礎(chǔ)模塊主要是讓學(xué)生認(rèn)識(shí)“絕影Mini Lite”的硬件組成和軟件開發(fā)平臺(tái)。

2.1.1" 硬件組成

“絕影Mini Lite”如圖1[6]所示，由四條腿和身體部分組成，每條腿由三個(gè)關(guān)節(jié)組成，關(guān)節(jié)由大功率直流電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)和編碼器組成，可提供強(qiáng)大的關(guān)節(jié)動(dòng)力、良好的力控性能以及高精度的角度反饋信息，可以滿足各種高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)控制和步態(tài)規(guī)劃開發(fā)的需要，如匍匐前進(jìn)、行走、跑跳等[6]。“絕影Mini Lite”四足機(jī)器人最多可配置兩臺(tái)感知主機(jī)和多種傳感器，供開發(fā)者自由開發(fā)。其中傳感器可配置深度相機(jī)、單目廣角相機(jī)、六麥麥克風(fēng)陣列、超聲波雷達(dá)、單線或16線激光雷達(dá)。“絕影Mini Lite”還配有手柄，手柄連接“絕影Mini Lite”發(fā)射的無(wú)線Wi-Fi后，可以操控“絕影Mini Lite”，使之進(jìn)行站立、坐下、爬行、爬樓梯等運(yùn)動(dòng)。

2.1.2" 軟件開發(fā)環(huán)境

“絕影Mini Lite”的運(yùn)動(dòng)主機(jī)選用X86架構(gòu)的CPU——UP Board，可對(duì)四條腿十二個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行開發(fā)，使之實(shí)現(xiàn)各種步態(tài)和運(yùn)動(dòng)功能。感知主機(jī)可配置X86架構(gòu)的CPU——UP Board，以及Arm架構(gòu)的GPU——NVIDIA Xavier NX，兩種主機(jī)均可使用遠(yuǎn)程桌面軟件進(jìn)行可視化操作[7]。

配置廣角相機(jī)時(shí)需調(diào)用NVIDIA Xavier NX主機(jī)，配置深度相機(jī)、超聲波、麥克風(fēng)陣列、激光雷達(dá)時(shí)可調(diào)用UP Board主機(jī)。

2.2" 運(yùn)動(dòng)模塊

運(yùn)動(dòng)模塊需要學(xué)生在掌握“絕影Mini Lite”身體、腿部各個(gè)關(guān)節(jié)以及足底坐標(biāo)系，身體參數(shù)，腿部參數(shù)，以及關(guān)節(jié)性能參數(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制開發(fā)。

2.2.1" 運(yùn)動(dòng)相關(guān)參數(shù)

了解“絕影Mini Lite”身體坐標(biāo)體系，熟悉前左、前右、后左、后右四條腿在身體坐標(biāo)體系中的位置，以及每條腿的髖側(cè)擺關(guān)節(jié)、髖前擺關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)以及足部在身體坐標(biāo)系中的位置與表示方法。了解身體參數(shù)、腿部參數(shù)及關(guān)節(jié)性能參數(shù)是運(yùn)動(dòng)控制開發(fā)的前提。身體參數(shù)包括長(zhǎng)度、寬度、高度、重量、髖左右間距、髖前后間距等。腿部參數(shù)包括重量、大腿長(zhǎng)度、小腿長(zhǎng)度、足底半徑、髖側(cè)擺關(guān)節(jié)和腿平面距離等。關(guān)節(jié)性能參數(shù)則包括髖側(cè)擺關(guān)節(jié)、髖前擺關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍、額定轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速、峰值轉(zhuǎn)矩和峰值轉(zhuǎn)速。進(jìn)行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)開發(fā)時(shí)要遵循這些參數(shù)，不能超出各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍、峰值轉(zhuǎn)矩和峰值轉(zhuǎn)速。

2.2.2" 運(yùn)動(dòng)控制開發(fā)

“絕影Mini Lite”運(yùn)動(dòng)控制主要由一些底層的庫(kù)和上層算法兩部分組成。在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制開發(fā)時(shí)，一般不修改底層的庫(kù)，主要修改上層的運(yùn)動(dòng)算法，實(shí)現(xiàn)新的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和機(jī)器人表現(xiàn)。開發(fā)的一般過(guò)程為：遠(yuǎn)程連接運(yùn)動(dòng)主機(jī)UP Board，進(jìn)行二次開發(fā)；在主函數(shù)main.cpp中修改運(yùn)動(dòng)算法；通過(guò)設(shè)置每個(gè)關(guān)節(jié)的初始位置、目標(biāo)位置、擺動(dòng)時(shí)間，可以計(jì)算PD力控，進(jìn)而下發(fā)指定腿各關(guān)節(jié)的輸出力矩，從而達(dá)到控制關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的目的。

2.3" 感知模塊

感知模塊通過(guò)連接不同的傳感器，如深度相機(jī)、單目廣角相機(jī)、麥克風(fēng)陣列、激光雷達(dá)等，可以實(shí)現(xiàn)人工智能熱門領(lǐng)域的相關(guān)實(shí)踐，如特定目標(biāo)識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、機(jī)器人建圖與導(dǎo)航等。

2.3.1" 計(jì)算機(jī)視覺(jué)

通過(guò)連接單目廣角攝像頭，運(yùn)用計(jì)算機(jī)視覺(jué)的識(shí)別算法，四足機(jī)器人可以識(shí)別所在場(chǎng)景中的特定目標(biāo)。同一個(gè)畫面中出現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)時(shí)，可以將多個(gè)目標(biāo)識(shí)別出來(lái)并給它們編號(hào)，用戶可以選擇其中某個(gè)目標(biāo)進(jìn)行跟隨。當(dāng)要跟隨特定目標(biāo)時(shí)，機(jī)器人首先會(huì)判斷和跟隨目標(biāo)之間大致的方位、距離，通過(guò)和跟隨目標(biāo)之間的方位、距離等信息，將調(diào)整方向、速度并進(jìn)行跟隨。

2.3.2" 聲源定位與語(yǔ)音交互功能

四足機(jī)器人連接六麥麥克風(fēng)陣列后，可接收語(yǔ)音信號(hào)并進(jìn)行語(yǔ)音信號(hào)處理。通過(guò)給機(jī)器人設(shè)定喚醒詞，如“一號(hào)機(jī)器人”“絕影機(jī)器人”等，可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音喚醒。另外還可以通過(guò)語(yǔ)音傳達(dá)一些簡(jiǎn)單的指令，如朝前走、向左轉(zhuǎn)、站起來(lái)、趴下等。機(jī)器人接收到信號(hào)后，將對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行分析處理，理解它的語(yǔ)義并輸出相應(yīng)的指令給機(jī)器人，從而實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音交互。

2.3.3" 機(jī)器人建圖、導(dǎo)航和避障

四足機(jī)器人連接單線激光雷達(dá)后，使用單線激光雷達(dá)點(diǎn)云和腿部里程計(jì)數(shù)據(jù)，可以建立2D地圖。四足機(jī)器人連接16線激光雷達(dá)，則可以建立3D地圖。

當(dāng)連接深度相機(jī)時(shí)，四足機(jī)器人借助深度相機(jī)的深度信息和腿部的里程計(jì)信息，還可以對(duì)周圍地形構(gòu)建地圖。機(jī)器人構(gòu)建的地圖可用于自主導(dǎo)航，給定目的地的位置和姿態(tài)，機(jī)器人可以通過(guò)全局規(guī)劃得到大致路徑，借助局部規(guī)劃避開障礙物，最終到達(dá)目的地。

3" 案例實(shí)施

在具體實(shí)施過(guò)程中，四足機(jī)器人可以作為理論課程配套的實(shí)踐平臺(tái)，也可以作為大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目（簡(jiǎn)稱大創(chuàng)）、學(xué)科競(jìng)賽的載體。

3.1" 理論課程配套的實(shí)踐平臺(tái)

四足機(jī)器人可作為智能機(jī)器人、數(shù)字圖像處理、語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)等人工智能核心課程的實(shí)踐平臺(tái)。學(xué)生可以將開發(fā)的算法部署到四足機(jī)器人上，直觀考察各種算法的優(yōu)劣。比如針對(duì)計(jì)算機(jī)視覺(jué)模塊，可以通過(guò)記錄四足機(jī)器人對(duì)特定物體識(shí)別時(shí)長(zhǎng)、準(zhǔn)確率等，比較各種算法的性能，加深對(duì)不同算法優(yōu)劣及其適應(yīng)性的認(rèn)識(shí)。

四足機(jī)器人作為理論課程配套的實(shí)踐平臺(tái)，為學(xué)生創(chuàng)造一個(gè)大膽嘗試、勇于創(chuàng)新的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生既可以做一些驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，也可以進(jìn)行設(shè)計(jì)性、探究性的研究。這些開放式、探究式學(xué)習(xí)，可激發(fā)學(xué)生的發(fā)散思維，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。

3.2" 大創(chuàng)、競(jìng)賽載體

四足機(jī)器人還可以作為大創(chuàng)項(xiàng)目、學(xué)科競(jìng)賽的載體。筆者指導(dǎo)學(xué)生申報(bào)“基于激光雷達(dá)的動(dòng)態(tài)目標(biāo)檢測(cè)與定位”“基于激光雷達(dá)和里程計(jì)多傳感器融合實(shí)現(xiàn)車輛定位與局部地圖熱更新”等大創(chuàng)項(xiàng)目，指導(dǎo)學(xué)生參加2021年中國(guó)高校智能機(jī)器人創(chuàng)意大賽、第14屆中國(guó)大學(xué)生計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽人工智能挑戰(zhàn)賽等比賽，獲得二等獎(jiǎng)兩項(xiàng)。

大創(chuàng)項(xiàng)目、學(xué)科競(jìng)賽的題目和實(shí)際生活聯(lián)系緊密，學(xué)生除了需要掌握專業(yè)知識(shí)，還需要自己查找資料、分析問(wèn)題、尋找解決問(wèn)題的方法，在解決問(wèn)題的過(guò)程中有效培養(yǎng)創(chuàng)造力和創(chuàng)新力。大創(chuàng)和競(jìng)賽一般是以小組的形式展開，小組成員相互配合，發(fā)揮各自的作用，才能取得好成績(jī)。完成項(xiàng)目或比賽的過(guò)程，不僅能提高學(xué)生能力，還能增強(qiáng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)的合作意識(shí)。

4" 結(jié)束語(yǔ)

基于四足機(jī)器人，從基礎(chǔ)模塊、運(yùn)動(dòng)模塊、感知模塊、綜合模塊四個(gè)方面設(shè)計(jì)一個(gè)人工智能綜合實(shí)踐案例。案例可以作為理論課程配套的實(shí)踐平臺(tái)，也可以作為大學(xué)生參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目、學(xué)業(yè)競(jìng)賽的載體。一方面，學(xué)生可以在綜合實(shí)踐平臺(tái)進(jìn)行一些開放性、設(shè)計(jì)性、探究性的實(shí)驗(yàn)，滿足新工科提出的“以學(xué)生為中心”的要求，提升在實(shí)驗(yàn)課程中的體驗(yàn)感，有利于培養(yǎng)動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力；另一方面，任務(wù)驅(qū)動(dòng)的團(tuán)隊(duì)實(shí)踐，在一定程度上促進(jìn)不同學(xué)科的交叉滲透，有利于培養(yǎng)學(xué)生的合作意識(shí)。

參考文獻(xiàn)

[1] 教育部關(guān)于公布2018年度普通高等學(xué)校本科專業(yè)備案和審批結(jié)果的通知[A/OL].（2019-03-29）[2019-04-29].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/moe_1034/s4930/201903/t20190329_376012.html.

[2] 教育部關(guān)于公布2019年度普通高等學(xué)校本科專業(yè)備案和審批結(jié)果的通知[A/OL].（2020-03-03）[2020-05-05].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/moe_1034/s4930/202003/t20200303_426853.html.

[3] 教育部關(guān)于公布2020年度普通高等學(xué)校本科專業(yè)備案和審批結(jié)果的通知[A/OL].（2021-03-01）[2021-05- 01].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/moe_1034/s4930/202103/t20210301_516076.html.

[4] 劉鑫橋，王庚，吳津蕊.新工科的研究現(xiàn)狀、實(shí)踐進(jìn)展與未來(lái)趨勢(shì)[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2021（4）：63-70.

[5] 杭州云深處科技有限公司.行業(yè)應(yīng)用[EB/OL].（2021-06-15）[2021-06-15].https：//www.deeprobotics.cn/application.html.

[6] 杭州云深處科技有限公司.絕影Mini Lite運(yùn)動(dòng)開發(fā)手冊(cè)[M].v2.0.6.杭州：2021.

[7] 杭州云深處科技有限公司.絕影Mini Lite感知開發(fā)手冊(cè)[M].v2.0.6.杭州：2021.

*項(xiàng)目來(lái)源：廈門大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“基于旋鏡式激光雷達(dá)的動(dòng)態(tài)目標(biāo)檢測(cè)與定位”（項(xiàng)目編號(hào)：2021X1249）；廈門大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“基于激光雷達(dá)和里程計(jì)多傳感器融合實(shí)現(xiàn)車輛定位與局部地圖熱更新”（項(xiàng)目編號(hào)：2021X1240）。

作者：徐素霞，廈門大學(xué)信息學(xué)院，工程師，研究方向?yàn)槟Ｊ阶R(shí)別、圖像處理；馮超，廈門大學(xué)信息學(xué)院，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)開發(fā)（361005）。