导盲犬稀缺“机器导盲犬”来帮忙！新型风险地图让导盲机器人更聪明

　　相信很多人都看过电影《导盲犬小Q》，剧中温情满满，导盲犬忠诚可靠。作为视力残障人士身边的“光明使者”，导盲犬一路照亮前行的方向。但事实上，导盲犬却是“一犬难求”。中国盲人协会数据显示，目前全国共有1731万视障人士，导盲犬数量不足300只。也就是说，在中国约每9万视障人士就在排队等候一只导盲犬。

　　而邻国日本，导盲犬的数量也是严重不足，无法满足对视障人士行走向导的需求。统计数据显示，正在工作的导盲犬数量为861只，但日本的需求缺口却高达3000人，如何解决这个问题显得十分重要。

　　日常生活中，导盲犬可以帮助视障人士提前避开危险，是他们安全出行的最佳助手。导盲犬为何如此稀缺?南都研究员从中国盲人协会官网了解到，培训一只导盲犬的平均成本约20万元，在国内的培训时间需要一年半左右，而且对犬要求比较严格，培训淘汰率高。

　　据中国导盲犬大连培训基地的数据，导盲犬淘汰率约为55%，被淘汰的导盲犬会作为普通宠物犬回到家庭。导盲犬在选择时，需要性格稳重，体重在35公斤左右，身高在40公分左右，步幅、行走速度和人类差不多。在选择可培训为导盲犬的幼犬时，首先要考虑犬的品种，导盲犬通常为拉布拉多犬、金毛犬、拳师犬和德国牧羊犬等。其次，要考察幼犬的父母是否有攻击人和其他动物的记录。第三，要对幼犬进行基因检测，检测幼犬的性格是否符合条件。

　　“每一次出行对盲人来说都是性命攸关，所以导盲犬从筛选到毕业的整个过程都非常严格。”中国导盲犬大连培训基地外联专员王艺霏透露，导盲犬从训练到毕业要学会上下台阶、过马路、躲避路面障碍等内容。因为狗狗天性活泼好动、喜欢和人互动，所以还会对其性格进行筛选，整个培训过程历时两年。“为保证狗狗的身体和心理健康，我们每天的训练在40分钟到1个小时左右，虽然任务难度不大，但必须反复练习巩固，确保在实际工作时不会出现危险。”

　　全国导盲犬训练基地也仅有5家，分别位于大连、上海、广州、西安和郑州。中国导盲犬大连培训基地于2006年5月15日正式成立，这是国内首家导盲犬培训基地，也是迄今唯一经中国残疾人联合会批准成立的，能够在导盲犬繁育、培训、应用等方面提供专业指导的非营利性机构。大连导盲犬培训基地每年毕业的导盲犬大约为35只，目前从基地毕业的导盲犬共有239只，它们分布在全国25个省市。

　　王艺霏表示，国内导盲犬培训事业的开展时间尚浅，存在培训人员匮乏，经验不足的问题。而且国内的路况和国外相比更为复杂，又不能完全照搬国外经验，训导员们也只能摸着石头过河。“目前，我国导盲犬培训的唯一参照标准只有2018年大连导盲犬基地帮助起草的《中国导盲犬标准法》，这个标准是远低于国际要求的。”

　　美国加州大学伯克利分校（University of California Berkeley）混合机器人小组的研究人员最近发明了一种用皮带引导主人的四足机器人导盲犬，它可以帮助视障人士穿过室内的狭窄区域，还能进行室内路线规划和导航。

　　因为，导盲犬的挑选和训练都比较费时费力，而且每只导盲犬都需要单独训练，不像机器导盲犬，只要开发一套算法就可以部署到所有个体上。加州大学伯克利分校的团队选取了四足机器人来建造机器导盲犬。研究小组成员李钟毓认为，四足机器人的种类丰富且制造成本低，而且它们的形状和大小都和真正的狗比较类似，因此可能是导盲犬的理想替代品，比其他机器人更容易被人类接受。

　　李钟毓团队研发的机器导盲犬基于一个名叫Mini Cheetah（小猎豹）的小型四足机器人，配备有2D激光雷达、3D摄像头，以及一个带有力传感器的可拉伸皮带。这些配置使机器人可以感应环境、追踪主人的位置，并且能拉紧或松开皮带来牵引主人。

　　李钟毓团队提出了端到端混合物理人机交互（physical human-robot interaction，pHRI）模型，该模型反映了机器导盲犬和人类用户在操作过程中的动态关系。利用这个混合模型，研究人员开发了一种反应式规划器，它可以让机器导盲犬通过调整姿态来放松或拉紧身上的皮带，使它即使在狭小的室内也能灵活地引导主人。研究人员在几组实验中测试了该模型，实验中，机器人导盲犬要引导一个蒙着眼睛的人走到特定位置，同时避开附近的障碍物。事实证明，他们的模型非常有效。

　　李钟毓解释道：“当机器导盲犬带着主人进入一个狭窄的空间，机器人可以先自己调整姿态，松开皮带。这时，由于主人手上没有感受到力，就会慢下或停下脚步。在缓慢通过狭窄地带之后，机器人会拉紧皮带，引导主人继续前进。”

　　研究人员还在机器导盲犬中添加了集成的传感器套件和路径规划算法，让机器导盲犬可以进行室内的路径规划和导航。在机器导盲犬中增加导航功能的好处是，视障人士在出行前，只需设置目的地，机器导盲犬就能自行规划路线并进行导航，而这是动物导盲犬没法做到的。

　　为满足不同视障人群的需求，目前市场上已开发出多种类型的导盲犬移动机器人。第一种是轮式机器人 ，而另一种导引移动机器人是四足机器人。

　　目前的导引移动机器人通常会进入物体的潜在占用空间，如人类的个人空间和门周围区域，潜在占用空间是指物体和人可能使用的区域，尽管该区域内没有实际物体。即使有足够的空间通过，通常也需要避免机器人进入，例如正在看电视的人面前的区域或正在交谈的人之间的区域。人类的个人空间就是潜在占用空间的典型例子，当有人进入这一特殊区域时，人们可能会感到不舒服，懂规矩的人通常会不自觉地避免进入这类空间。

　　此外，用户在使用导盲机器人时会受到很多限制。目前开发的大多数导盲机器人都要求用户通过调整速度来跟随机器人，或自行控制机器人的移动速度。在不了解周围情况的情况下，视障人士很难控制机器人的速度或调整自己的速度，并且视障人士与机器人一起进入物体或周围人群可能占据的空间，会给视障人士带来很大的压力。

　　为了让导引移动机器人引导用户到达目的地，机器人首先必须了解环境。因此，利用 LRF 获取的距离信息，通过基于制图师的同步定位和绘图（SLAM）技术生成周围环境的二维占用栅格地图。

　　通过SLAM 生成的地图是二维占用栅格地图，二维占用栅格地图将周围环境划分为若干网格，并以占用概率随机描述物体是否占用每个网格。之后，LRF 对环境进行检测，如果检测到物体，则网格上存在物体的概率很高。利用事先生成的全局地图，机器人利用编码器和激光雷达的信息进行自我定位。

　　同时，在地图上设置好引导移动机器人的目的地后，使用算法计算地图上的最短路径。该算法基于图论，能有效计算出两个节点之间的最短路径，这些节点均匀地设置在地图上白色的自由空间区域。考虑到潜在的被占空间，机器人基本上按照最短路径到达目的地，但局部路径会根据空间风险地图进行实时调整。

　　机器人基于传统势场法将行人视为障碍物，从而避免与行人发生碰撞。但是，机器人可能会选择一条非常靠近行人的路径，或走到行人前面干扰他们。