基于四足機器人的人工智能綜合實踐案例設計*

摘" 要" 基于四足機器人，從基礎模塊、運動模塊、感知模塊、綜合模塊四個方面設計一個人工智能綜合實踐案例。綜合實踐案例可作為理論教學配套的實踐平臺，也可以作為學生參加大學生創新創業訓練計劃項目、學科競賽的載體，充分發揮學生的主體性，有利于培養學生的實踐創新能力。

關鍵詞" 新工科；四足機器人；人工智能；實踐平臺；大創項目；學科競賽

中圖分類號：G642.44" "文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）10-0020-03

0" 引言

隨著科學技術的不斷進步，人工智能漸漸走進人們的日常生活，社會對人工智能人才的需求不斷增加。近幾年，很多高校先后開設人工智能專業，根據教育部發布的2018—2020年度普通高等學校本科專業備案和審批結果，共有345所高校開設人工智能專業[1-3]。隨著人工智能專業不斷開設，人工智能專業培養體系、人工智能人才培養模式，尤其是新工科背景下如何加強人工智能專業學生動手實踐能力、如何培養創新創造能力等問題，成為學術界關注的焦點。

新工科理念強調實踐與創新創業教育，強調學校要通過廣泛搭建創新創業實踐平臺，努力實現50%以上的工科專業學生參加“大學生創新創業訓練計劃”，參與一項創新創業賽事活動，切實提高新工科人才的實踐創新能力[4]。基于這一理念，設計一個基于四足機器人的人工智能綜合實踐案例，旨在通過一系列實踐教學，培養學生動手實踐、解決實際問題的能力。

1" “絕影Mini Lite”四足機器人

絕影四足機器人是杭州云深處科技有限公司生產的系列機器人，包括“絕影Pro”“絕影”“絕影Mini”“絕影Mini Lite”等系列。“絕影Pro”面向復雜、危險等環境下的應用要求，為消防救援、反恐、排爆等應用場景提供智能化解決方案。

“絕影”面向智慧安防、電力/鐵路巡檢、智能物流等應用場景。“絕影Mini”和“絕影Mini Lite”是輕量化、小型版的四足機器人，面向教育科研市場，具備語音交互、聲源定位等功能，并且擁有地圖構建、自主導航、智能避障、人體跟隨等能力，可進行二次開發[5]。本文基于“絕影Mini Lite”四足機器人進行設計。

2" 人工智能綜合實踐案例設計

基于四足機器人，從基礎模塊、運動模塊、感知模塊、綜合模塊四個方面設計一個人工智能綜合實踐案例，表1列出各個模塊對應的教學內容、課程及實驗環節。

2.1" 基礎模塊

基礎模塊主要是讓學生認識“絕影Mini Lite”的硬件組成和軟件開發平臺。

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，每條腿由三個關節組成，關節由大功率直流電機、減速機構和編碼器組成，可提供強大的關節動力、良好的力控性能以及高精度的角度反饋信息，可以滿足各種高動態運動控制和步態規劃開發的需要，如匍匐前進、行走、跑跳等[6]。“絕影Mini Lite”四足機器人最多可配置兩臺感知主機和多種傳感器，供開發者自由開發。其中傳感器可配置深度相機、單目廣角相機、六麥麥克風陣列、超聲波雷達、單線或16線激光雷達。“絕影Mini Lite”還配有手柄，手柄連接“絕影Mini Lite”發射的無線Wi-Fi后，可以操控“絕影Mini Lite”，使之進行站立、坐下、爬行、爬樓梯等運動。

2.1.2" 軟件開發環境

“絕影Mini Lite”的運動主機選用X86架構的CPU——UP Board，可對四條腿十二個關節進行開發，使之實現各種步態和運動功能。感知主機可配置X86架構的CPU——UP Board，以及Arm架構的GPU——NVIDIA Xavier NX，兩種主機均可使用遠程桌面軟件進行可視化操作[7]。

配置廣角相機時需調用NVIDIA Xavier NX主機，配置深度相機、超聲波、麥克風陣列、激光雷達時可調用UP Board主機。

2.2" 運動模塊

運動模塊需要學生在掌握“絕影Mini Lite”身體、腿部各個關節以及足底坐標系，身體參數，腿部參數，以及關節性能參數的基礎上，進行運動控制開發。

2.2.1" 運動相關參數

了解“絕影Mini Lite”身體坐標體系，熟悉前左、前右、后左、后右四條腿在身體坐標體系中的位置，以及每條腿的髖側擺關節、髖前擺關節、膝關節以及足部在身體坐標系中的位置與表示方法。了解身體參數、腿部參數及關節性能參數是運動控制開發的前提。身體參數包括長度、寬度、高度、重量、髖左右間距、髖前后間距等。腿部參數包括重量、大腿長度、小腿長度、足底半徑、髖側擺關節和腿平面距離等。關節性能參數則包括髖側擺關節、髖前擺關節和膝關節的運動范圍、額定轉矩、額定轉速、峰值轉矩和峰值轉速。進行運動狀態開發時要遵循這些參數，不能超出各個關節的運動范圍、峰值轉矩和峰值轉速。

2.2.2" 運動控制開發

“絕影Mini Lite”運動控制主要由一些底層的庫和上層算法兩部分組成。在進行運動控制開發時，一般不修改底層的庫，主要修改上層的運動算法，實現新的運動規劃和機器人表現。開發的一般過程為：遠程連接運動主機UP Board，進行二次開發；在主函數main.cpp中修改運動算法；通過設置每個關節的初始位置、目標位置、擺動時間，可以計算PD力控，進而下發指定腿各關節的輸出力矩，從而達到控制關節運動的目的。

2.3" 感知模塊

感知模塊通過連接不同的傳感器，如深度相機、單目廣角相機、麥克風陣列、激光雷達等，可以實現人工智能熱門領域的相關實踐，如特定目標識別、語音識別、機器人建圖與導航等。

2.3.1" 計算機視覺

通過連接單目廣角攝像頭，運用計算機視覺的識別算法，四足機器人可以識別所在場景中的特定目標。同一個畫面中出現多個目標時，可以將多個目標識別出來并給它們編號，用戶可以選擇其中某個目標進行跟隨。當要跟隨特定目標時，機器人首先會判斷和跟隨目標之間大致的方位、距離，通過和跟隨目標之間的方位、距離等信息，將調整方向、速度并進行跟隨。

2.3.2" 聲源定位與語音交互功能

四足機器人連接六麥麥克風陣列后，可接收語音信號并進行語音信號處理。通過給機器人設定喚醒詞，如“一號機器人”“絕影機器人”等，可實現語音喚醒。另外還可以通過語音傳達一些簡單的指令，如朝前走、向左轉、站起來、趴下等。機器人接收到信號后，將對語音信號進行分析處理，理解它的語義并輸出相應的指令給機器人，從而實現語音交互。

2.3.3" 機器人建圖、導航和避障

四足機器人連接單線激光雷達后，使用單線激光雷達點云和腿部里程計數據，可以建立2D地圖。四足機器人連接16線激光雷達，則可以建立3D地圖。

當連接深度相機時，四足機器人借助深度相機的深度信息和腿部的里程計信息，還可以對周圍地形構建地圖。機器人構建的地圖可用于自主導航，給定目的地的位置和姿態，機器人可以通過全局規劃得到大致路徑，借助局部規劃避開障礙物，最終到達目的地。

3" 案例實施

在具體實施過程中，四足機器人可以作為理論課程配套的實踐平臺，也可以作為大學生創新創業計劃項目（簡稱大創）、學科競賽的載體。

3.1" 理論課程配套的實踐平臺

四足機器人可作為智能機器人、數字圖像處理、語音識別技術等人工智能核心課程的實踐平臺。學生可以將開發的算法部署到四足機器人上，直觀考察各種算法的優劣。比如針對計算機視覺模塊，可以通過記錄四足機器人對特定物體識別時長、準確率等，比較各種算法的性能，加深對不同算法優劣及其適應性的認識。

四足機器人作為理論課程配套的實踐平臺，為學生創造一個大膽嘗試、勇于創新的學習環境，學生既可以做一些驗證性的實驗，也可以進行設計性、探究性的研究。這些開放式、探究式學習，可激發學生的發散思維，提高學生學習的主動性，有利于培養學生的創新思維和創新能力。

3.2" 大創、競賽載體

四足機器人還可以作為大創項目、學科競賽的載體。筆者指導學生申報“基于激光雷達的動態目標檢測與定位”“基于激光雷達和里程計多傳感器融合實現車輛定位與局部地圖熱更新”等大創項目，指導學生參加2021年中國高校智能機器人創意大賽、第14屆中國大學生計算機設計大賽人工智能挑戰賽等比賽，獲得二等獎兩項。

大創項目、學科競賽的題目和實際生活聯系緊密，學生除了需要掌握專業知識，還需要自己查找資料、分析問題、尋找解決問題的方法，在解決問題的過程中有效培養創造力和創新力。大創和競賽一般是以小組的形式展開，小組成員相互配合，發揮各自的作用，才能取得好成績。完成項目或比賽的過程，不僅能提高學生能力，還能增強學生團隊的合作意識。

4" 結束語

基于四足機器人，從基礎模塊、運動模塊、感知模塊、綜合模塊四個方面設計一個人工智能綜合實踐案例。案例可以作為理論課程配套的實踐平臺，也可以作為大學生參加創新創業計劃項目、學業競賽的載體。一方面，學生可以在綜合實踐平臺進行一些開放性、設計性、探究性的實驗，滿足新工科提出的“以學生為中心”的要求，提升在實驗課程中的體驗感，有利于培養動手實踐能力和創新能力；另一方面，任務驅動的團隊實踐，在一定程度上促進不同學科的交叉滲透，有利于培養學生的合作意識。

參考文獻

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

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

[3] 教育部關于公布2020年度普通高等學校本科專業備案和審批結果的通知[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.新工科的研究現狀、實踐進展與未來趨勢[J].西北工業大學學報（社會科學版），2021（4）：63-70.

[5] 杭州云深處科技有限公司.行業應用[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運動開發手冊[M].v2.0.6.杭州：2021.

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

*項目來源：廈門大學大學生創新創業訓練計劃項目“基于旋鏡式激光雷達的動態目標檢測與定位”（項目編號：2021X1249）；廈門大學大學生創新創業訓練計劃項目“基于激光雷達和里程計多傳感器融合實現車輛定位與局部地圖熱更新”（項目編號：2021X1240）。

作者：徐素霞，廈門大學信息學院，工程師，研究方向為模式識別、圖像處理；馮超，廈門大學信息學院，高級工程師，研究方向為嵌入式系統開發（361005）。