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(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目、學科競賽的載體，充分發(fā)揮學生的主體性，有利于培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力。

關鍵詞" 新工科；四足機器人；人工智能；實踐平臺；大創(chuàng)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(yè)，根據(jù)教育部發(fā)布的2018—2020年度普通高等學校本科專業(yè)備案和審批結果，共有345所高校開設人工智能專業(yè)[1-3]。隨著人工智能專業(yè)不斷開設，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人工智能專業(yè)學生動手實踐能力、如何培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)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(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，強調學校要通過廣泛搭建創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐平臺，努力實現(xiàn)50%以上的工科專業(yè)學生參加“大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃”，參與一項創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)賽事活動，切實提高新工科人才的實踐創(chuàng)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(yǎng)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?！敖^影Pro”面向復雜、危險等環(huán)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?！敖^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(fā)[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(huán)節(jié)。

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(fā)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(jié)組成，關節(jié)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(jié)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(tài)運動控制和步態(tài)規(guī)劃開發(fā)的需要，如匍匐前進、行走、跑跳等[6]?！敖^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(fā)者自由開發(fā)。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?！敖^影Mini Lite”還配有手柄，手柄連接“絕影Mini Lite”發(fā)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(fā)環(huán)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(jié)進行開發(fā)，使之實現(xiàn)各種步態(tài)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(jié)以及足底坐標系，身體參數(shù)，腿部參數(shù)，以及關節(jié)性能參數(shù)的基礎上，進行運動控制開發(fā)。

2.2.1" 運動相關參數(shù)

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(jié)、髖前擺關節(jié)、膝關節(jié)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(shù)、腿部參數(shù)及關節(jié)性能參數(shù)是運動控制開發(fā)的前提。身體參數(shù)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(shù)包括重量、大腿長度、小腿長度、足底半徑、髖側擺關節(jié)和腿平面距離等。關節(jié)性能參數(shù)則包括髖側擺關節(jié)、髖前擺關節(jié)和膝關節(jié)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(tài)開發(fā)時要遵循這些參數(shù)，不能超出各個關節(jié)的運動范圍、峰值轉矩和峰值轉速。

2.2.2" 運動控制開發(fā)

“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(fā)時，一般不修改底層的庫，主要修改上層的運動算法，實現(xiàn)新的運動規(guī)劃和機器人表現(xiàn)。開發(fā)的一般過程為：遠程連接運動主機UP Board，進行二次開發(fā)；在主函數(shù)main.cpp中修改運動算法；通過設置每個關節(jié)的初始位置、目標位置、擺動時間，可以計算PD力控，進而下發(fā)指定腿各關節(jié)的輸出力矩，從而達到控制關節(jié)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(shù)據(jù)，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(tài)，機器人可以通過全局規(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(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目（簡稱大創(chuàng)）、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(shù)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(fā)的算法部署到四足機器人上，直觀考察各種算法的優(yōu)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(yōu)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(chuàng)造一個大膽嘗試、勇于創(chuàng)新的學習環(huán)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(fā)學生的發(fā)散思維，提高學生學習的主動性，有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。

3.2" 大創(chuàng)、競賽載體

四足機器人還可以作為大創(chuàng)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(tài)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(xiàn)車輛定位與局部地圖熱更新”等大創(chuàng)項目，指導學生參加2021年中國高校智能機器人創(chuàng)意大賽、第14屆中國大學生計算機設計大賽人工智能挑戰(zhàn)賽等比賽，獲得二等獎兩項。

大創(chuàng)項目、學科競賽的題目和實際生活聯(lián)系緊密，學生除了需要掌握專業(yè)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(yǎng)創(chuàng)造力和創(chuàng)新力。大創(chuàng)和競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。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(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目、學業(yè)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(yǎng)動手實踐能力和創(chuàng)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(yǎng)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(yè)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(yè)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(yè)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(xiàn)狀、實踐進展與未來趨勢[J].西北工業(yè)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(yè)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(fā)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(fā)手冊[M].v2.0.6.杭州：2021.

*項目來源：廈門大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目“基于旋鏡式激光雷達的動態(tài)目標檢測與定位”（項目編號：2021X1249）；廈門大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目“基于激光雷達和里程計多傳感器融合實現(xiàn)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(tǒng)開發(fā)（361005）。