技术解读：小米CyberDog中文名为“铁蛋”，仿生机器人有多难？

小米MIX4发布会接近尾声的时候，雷军向大家介绍了小米内部的一个探索概念项目——四足仿生机器人CyberDog。
 
CyberDog汇集小米11年的技术沉淀，是工程师文化和创新精神的深度凝结，也是小米对于未来科技生活的再次探索。CyberDog搭载高精度环境感知系统，全身11个高精度传感器向AI大脑实时传输信息，还原更真实的生物反应。
 
CyberDog有一个中文名字，叫“铁蛋”，小米工程师说叫铁蛋命比较硬，项目容易成功。
 
“仿生机器人”是指模仿生物、从事生物特点工作的机器人。目前在西方国家，机械宠物十分流行，另外，仿麻雀机器人可以担任环境监测的任务，具有广阔的开发前景。在实现方式上，仿生机器人是仿生学与机器人领域应用需求结合的产物，根据仿生学原理，模仿生物的形态、结构、材料以及功能等性能优越的机电系统，它们往往是被用来专门针对特定任务而设计出来的。
 
四足机器人是仿生机器人中的一种，以机器狗的角色最为常见。
 
对于四足机器人，首先要攻克的问题是站立。小明工坊在《平衡与舞蹈－pigot四足机器人姿态控制仿真》中对此进行了详细的介绍：四足机器人的站立姿态控制，本质上是并联机器人的逆解。只不过相比于并联机器人每条支腿只有一个驱动自由度、平台自由度和驱动自由度一般相等而言，四足机器人存在许多冗余自由度。因此在解算出每条腿的位置向量后，还需要对每条腿做逆解。当机器人做的动作越多，涉及的计算量越大，计算也越复杂。
 
然后是行走，要让四足机器人平稳的行走，最关键的点在于脚部着地力量的控制，否则过大的反向冲击容易让机器人自己将自己蹬倒。以初期的波士顿狗为例，其四肢均由液压驱动，每条腿有4个自由度：小腿和大腿各一个纵向自由度，分别由一个液压缸驱动；胯部有纵向和横向两个自由度，由两个液压缸驱动。因此，全身共16个自由度。
 
《足式机器人生物控制方法和应用》中提到，四足动物的每一步行走都处于较为稳定的三足支撑状态，该运动模式称为行进步态，是一种四拍步态。行进速度较快一点的是小跑步态（Tort）和溜蹄步态（Pace），这两者都是两拍步态。在机械原理上，有切比雪夫连杆、克兰连杆、Jansen 连杆、波塞利连杆、瓦特连杆等多种实现方式。
 
平衡性和动态运动能力是四足机器人要实现的基本性能，此外还有运动控制性能和感知性能。运动控制包括平衡控制、运动轨迹控制、电机控制。
 
四足机器人的平衡控制属于动态平衡控制，《波士顿动力真的无可企及吗？一步步剖析四足机器人技术（二）》中给出一个中基于CPG控制模型的实现方式。确定各腿之间的相位关系，即可确定步态。CPG控制模型写成全矩阵的形式：
 

 
其中：

 
R为CPG网络连接权重，决定了CPG网络各输出单元之间的相位关系，能够控制四足机器人实现不同的步态。因此，只需要根据机器人不同步态下的相位图求出R矩阵，即可确定机器人的运动模式，进而实现运动控制。
 
运动轨迹控制有很多种实现方式，包括基于模型和基于传感器的路径规划，全局路径规划和局部路径规划，以及离线路径规划和在线路径规划等。在电机控制方面，目前大部分四足机器人选择直流电机，包括外转子电机、内转子电机，以及比较高端的力矩电机等。电机的性能也决定着四足机器人的运动性能，小米在CyberDog介绍中提到，强大的自研“心脏”，搭配运动控制算法，让CyberDog适应多种复杂地形，即使外力干扰下，也能快速恢复平衡。该款私服电机最大输出扭矩32N·m，最大转速220rpm，最大行走速度3.2m/s。
 
CyberDog搭载了11款传感器，如下图：

 
四足机器人凭借智能感知系统获取环境信息，具备了在复杂地形下的高机动自主作业能力。传统的四足机器人，为获取机器人本体与障碍物的距离信息，经常使用的传感器有超声测距传感器、红外测距传感器、里程计、GPS、激光传感器等，这些传感器均为测距类传感器，传感器之间的冗余信息量大，互补信息量少，在使用的过程中必须提供先验知识，对于动态的、复杂的应用场景，其效果并不理想。视觉传感器和超声波传感器融合是较为理想的方案，小米也选择了这样的实现方式。
 
多传感器融合的体系结构主要分为分布式、集中式和混合式；信息融合主要是数据级融合、特征级融合和决策级融合。从实现方式上，由于传感小型化和智能化已经较为成熟，硬件方面实现起来难度不大，但算法层面有很大挑战，且各家公司都有不同的选择侧重。