小米MIX4發(fā)布會(huì)接近尾聲的時(shí)候，雷軍向大家介紹了小米內(nèi)部的一個(gè)探索概念項(xiàng)目——四足仿生機(jī)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(duì)于未來(lái)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(gè)高精度傳感器向AI大腦實(shí)時(shí)傳輸信息，還原更真實(shí)的生物反應(yīng)。
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CyberDog有一個(gè)中文名字，叫“鐵蛋”，小米工程師說(shuō)叫鐵蛋命比較硬，項(xiàng)目容易成功。
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“仿生機(jī)器人”是指模仿生物、從事生物特點(diǎn)工作的機(jī)器人。目前在西方國(guó)家，機(jī)械寵物十分流行，另外，仿麻雀機(jī)器人可以擔(dān)任環(huán)境監(jiān)測(cè)的任務(wù)，具有廣闊的開(kāi)發(fā)前景。在實(shí)現(xiàn)方式上，仿生機(jī)器人是仿生學(xué)與機(jī)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(jī)電系統(tǒng)，它們往往是被用來(lái)專門(mén)針對(duì)特定任務(wù)而設(shè)計(jì)出來(lái)的。
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四足機(jī)器人是仿生機(jī)器人中的一種，以機(jī)器狗的角色最為常見(jiàn)。
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對(duì)于四足機(jī)器人，首先要攻克的問(wèn)題是站立。小明工坊在《平衡與舞蹈－pigot四足機(jī)器人姿態(tài)控制仿真》中對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)的介紹：四足機(jī)器人的站立姿態(tài)控制，本質(zhì)上是并聯(lián)機(jī)器人的逆解。只不過(guò)相比于并聯(lián)機(jī)器人每條支腿只有一個(gè)驅(qū)動(dòng)自由度、平臺(tái)自由度和驅(qū)動(dòng)自由度一般相等而言，四足機(jī)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(duì)每條腿做逆解。當(dāng)機(jī)器人做的動(dòng)作越多，涉及的計(jì)算量越大，計(jì)算也越復(fù)雜。
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然后是行走，要讓四足機(jī)器人平穩(wěn)的行走，最關(guān)鍵的點(diǎn)在于腳部著地力量的控制，否則過(guò)大的反向沖擊容易讓機(jī)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(dòng)，每條腿有4個(gè)自由度：小腿和大腿各一個(gè)縱向自由度，分別由一個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)；胯部有縱向和橫向兩個(gè)自由度，由兩個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)。因此，全身共16個(gè)自由度。
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《足式機(jī)器人生物控制方法和應(yīng)用》中提到，四足動(dòng)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(yùn)動(dòng)模式稱為行進(jìn)步態(tài)，是一種四拍步態(tài)。行進(jìn)速度較快一點(diǎn)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(jī)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(shí)現(xiàn)方式。
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平衡性和動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)能力是四足機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)的基本性能，此外還有運(yùn)動(dòng)控制性能和感知性能。運(yùn)動(dòng)控制包括平衡控制、運(yùn)動(dòng)軌跡控制、電機(jī)控制。
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四足機(jī)器人的平衡控制屬于動(dòng)態(tài)平衡控制，《波士頓動(dòng)力真的無(wú)可企及嗎？一步步剖析四足機(jī)器人技術(shù)（二）》中給出一個(gè)中基于CPG控制模型的實(shí)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(xiě)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(jī)器人實(shí)現(xiàn)不同的步態(tài)。因此，只需要根據(jù)機(jī)器人不同步態(tài)下的相位圖求出R矩陣，即可確定機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。
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運(yùn)動(dòng)軌跡控制有很多種實(shí)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(jī)控制方面，目前大部分四足機(jī)器人選擇直流電機(jī)，包括外轉(zhuǎn)子電機(jī)、內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)，以及比較高端的力矩電機(jī)等。電機(jī)的性能也決定著四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能，小米在CyberDog介紹中提到，強(qiáng)大的自研“心臟”，搭配運(yùn)動(dòng)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(jī)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(jī)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(jī)動(dòng)自主作業(yè)能力。傳統(tǒng)的四足機(jī)器人，為獲取機(jī)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(cè)距傳感器、紅外測(cè)距傳感器、里程計(jì)、GPS、激光傳感器等，這些傳感器均為測(cè)距類傳感器，傳感器之間的冗余信息量大，互補(bǔ)信息量少，在使用的過(guò)程中必須提供先驗(yàn)知識(shí)，對(duì)于動(dòng)態(tài)的、復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景，其效果并不理想。視覺(jué)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(shí)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(jí)融合、特征級(jí)融合和決策級(jí)融合。從實(shí)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(shí)現(xiàn)起來(lái)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。