技術(shù)解讀：小米CyberDog中文名為“鐵蛋”，仿生機器人有多難？

小米MIX4發(fā)布會接近尾聲的時候，雷軍向大家介紹了小米內(nèi)部的一個探索概念項目——四足仿生機器人CyberDog。
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CyberDog匯集小米11年的技術(shù)沉淀，是工程師文化和創(chuàng)新精神的深度凝結(jié)，也是小米對于未來科技生活的再次探索。CyberDog搭載高精度環(huán)境感知系統(tǒng)，全身11個高精度傳感器向AI大腦實時傳輸信息，還原更真實的生物反應(yīng)。
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CyberDog有一個中文名字，叫“鐵蛋”，小米工程師說叫鐵蛋命比較硬，項目容易成功。
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“仿生機器人”是指模仿生物、從事生物特點工作的機器人。目前在西方國家，機械寵物十分流行，另外，仿麻雀機器人可以擔(dān)任環(huán)境監(jiān)測的任務(wù)，具有廣闊的開發(fā)前景。在實現(xiàn)方式上，仿生機器人是仿生學(xué)與機器人領(lǐng)域應(yīng)用需求結(jié)合的產(chǎn)物，根據(jù)仿生學(xué)原理，模仿生物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、材料以及功能等性能優(yōu)越的機電系統(tǒng)，它們往往是被用來專門針對特定任務(wù)而設(shè)計出來的。
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四足機器人是仿生機器人中的一種，以機器狗的角色最為常見。
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對于四足機器人，首先要攻克的問題是站立。小明工坊在《平衡與舞蹈－pigot四足機器人姿態(tài)控制仿真》中對此進行了詳細的介紹：四足機器人的站立姿態(tài)控制，本質(zhì)上是并聯(lián)機器人的逆解。只不過相比于并聯(lián)機器人每條支腿只有一個驅(qū)動自由度、平臺自由度和驅(qū)動自由度一般相等而言，四足機器人存在許多冗余自由度。因此在解算出每條腿的位置向量后，還需要對每條腿做逆解。當(dāng)機器人做的動作越多，涉及的計算量越大，計算也越復(fù)雜。
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然后是行走，要讓四足機器人平穩(wěn)的行走，最關(guān)鍵的點在于腳部著地力量的控制，否則過大的反向沖擊容易讓機器人自己將自己蹬倒。以初期的波士頓狗為例，其四肢均由液壓驅(qū)動，每條腿有4個自由度：小腿和大腿各一個縱向自由度，分別由一個液壓缸驅(qū)動；胯部有縱向和橫向兩個自由度，由兩個液壓缸驅(qū)動。因此，全身共16個自由度。
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《足式機器人生物控制方法和應(yīng)用》中提到，四足動物的每一步行走都處于較為穩(wěn)定的三足支撐狀態(tài)，該運動模式稱為行進步態(tài)，是一種四拍步態(tài)。行進速度較快一點的是小跑步態(tài)（Tort）和溜蹄步態(tài)（Pace），這兩者都是兩拍步態(tài)。在機械原理上，有切比雪夫連桿、克蘭連桿、Jansen 連桿、波塞利連桿、瓦特連桿等多種實現(xiàn)方式。
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平衡性和動態(tài)運動能力是四足機器人要實現(xiàn)的基本性能，此外還有運動控制性能和感知性能。運動控制包括平衡控制、運動軌跡控制、電機控制。
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四足機器人的平衡控制屬于動態(tài)平衡控制，《波士頓動力真的無可企及嗎？一步步剖析四足機器人技術(shù)（二）》中給出一個中基于CPG控制模型的實現(xiàn)方式。確定各腿之間的相位關(guān)系，即可確定步態(tài)。CPG控制模型寫成全矩陣的形式：
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其中： ?
R為CPG網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)重，決定了CPG網(wǎng)絡(luò)各輸出單元之間的相位關(guān)系，能夠控制四足機器人實現(xiàn)不同的步態(tài)。因此，只需要根據(jù)機器人不同步態(tài)下的相位圖求出R矩陣，即可確定機器人的運動模式，進而實現(xiàn)運動控制。
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運動軌跡控制有很多種實現(xiàn)方式，包括基于模型和基于傳感器的路徑規(guī)劃，全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃，以及離線路徑規(guī)劃和在線路徑規(guī)劃等。在電機控制方面，目前大部分四足機器人選擇直流電機，包括外轉(zhuǎn)子電機、內(nèi)轉(zhuǎn)子電機，以及比較高端的力矩電機等。電機的性能也決定著四足機器人的運動性能，小米在CyberDog介紹中提到，強大的自研“心臟”，搭配運動控制算法，讓CyberDog適應(yīng)多種復(fù)雜地形，即使外力干擾下，也能快速恢復(fù)平衡。該款私服電機最大輸出扭矩32N·m，最大轉(zhuǎn)速220rpm，最大行走速度3.2m/s。
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CyberDog搭載了11款傳感器，如下圖： ?
四足機器人憑借智能感知系統(tǒng)獲取環(huán)境信息，具備了在復(fù)雜地形下的高機動自主作業(yè)能力。傳統(tǒng)的四足機器人，為獲取機器人本體與障礙物的距離信息，經(jīng)常使用的傳感器有超聲測距傳感器、紅外測距傳感器、里程計、GPS、激光傳感器等，這些傳感器均為測距類傳感器，傳感器之間的冗余信息量大，互補信息量少，在使用的過程中必須提供先驗知識，對于動態(tài)的、復(fù)雜的應(yīng)用場景，其效果并不理想。視覺傳感器和超聲波傳感器融合是較為理想的方案，小米也選擇了這樣的實現(xiàn)方式。
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多傳感器融合的體系結(jié)構(gòu)主要分為分布式、集中式和混合式；信息融合主要是數(shù)據(jù)級融合、特征級融合和決策級融合。從實現(xiàn)方式上，由于傳感小型化和智能化已經(jīng)較為成熟，硬件方面實現(xiàn)起來難度不大，但算法層面有很大挑戰(zhàn)，且各家公司都有不同的選擇側(cè)重。