小米CyberDog四足機器人的AI運動系統(tǒng)的實現(xiàn)

2021年8月10日，雷軍進行繼宣布造車之后的第二次演講。

在現(xiàn)場的展示中，小米發(fā)布了首款四足行走機器人——鐵蛋，英文名CyberDog。這只“人類高質(zhì)量寵物”可以行走、站立、小碎步跳舞等等。

鐵蛋現(xiàn)場展示

在官方給出的運動性能參數(shù)中，介紹到，除了這些，CyberDog還支持恢復站立、姿態(tài)展示、緩慢趴下、緩跑、小跑、奔跑、跳跑、跳躍、倒地恢復、打滾、握手、跳舞、轉(zhuǎn)圈、作揖、坐下等一系列功能動作。

小米官網(wǎng)對于鐵蛋運動性能的介紹

這只看起來像小狗的機器人其實是當前業(yè)內(nèi)備受關(guān)注的新產(chǎn)品形態(tài)——仿生四足機器人。CyberDog全身擁有11組高精度傳感器時刻待命，可主動探測外部細微變化，它搭載了AI超級計算機——NVIDIA JETSON XAVIER NX平臺，可處理來自多個傳感器的海量數(shù)據(jù)。于此同時，CyberDog使用了自研的高性能伺服電機，通過全志MR813芯片對全身的運動模塊進行控制。

如果把傳感器組比作CyberDog的“眼睛”，那NVIDIA JETSON XAVIER NX就是它的“大腦”，伺服電機就是它的“肌肉”，Allwinner MR813就是“小腦”。

下面就來剖析鐵蛋的各個“器官”是如何組成它的運動系統(tǒng)的。

#01 大腦-英偉達主控

CyberDog 的“大腦”是英偉達的 Jetson Xavier NX 平臺，這是一臺用于嵌入式和邊緣系統(tǒng)的 AI 超級計算機。它集成了6個core NVIDIA Carmel ARM v8.2 64-bit CPU、搭載 384 NVIDIA CUDA cores 和 48 Tensor cores的GPU、2個 NVDLA 引擎深度學習加速器、7路VLIW視覺處理器?？梢蕴峁┳罡?1T的算力。這保證了 CyberDog 可以毫無障礙地處理從傳感器系統(tǒng)捕獲的大量數(shù)據(jù)，準確領(lǐng)會主人的意圖。同時支持2個 MIPI CSI-2 D-PHY lanes、以太網(wǎng)、WIFI/BT、HDMI、多路USB等。

有了這個大腦，這臺機械狗甚至可以直接外接顯示輸入設(shè)備變身一臺“電腦”，當然并不是我們傳統(tǒng)意義上使用的那種個人用電腦，而是用于開發(fā)等用途。

# 02 眼睛-11組高精度傳感器

為了讓鐵蛋真的像一條狗，小米為其配備了超過11組高精密傳感器，包括Intel Realsense D450深度攝像頭、AI交互相機、雙目超廣角相機、TOF傳感器、環(huán)境光傳感器、超聲波傳感器、慣性測量單元、GPS模組、地磁傳感器、光流計、6MIC環(huán)型陣列、觸摸傳感器等。有了這些豐富的傳感器，CyberDog就像一個擁有白眼的“感知型忍者”，可以敏銳地感覺都周圍流動的“查克拉”，并做出避障、預警等行為。

不僅僅是堆砌硬件，小米手機影像部門還親自介入，將自己在手機方面深耕多年影像的技術(shù)運用至四足機器人領(lǐng)域，將硬件的性能發(fā)揮到極致。比如CyberDog的自主跟隨能力就是源自人臉識別技術(shù)的衍生，以及SLAM建圖和導航避障功能都來自影像技術(shù)的延伸的視覺探知技術(shù)，CyberDog通過影像技術(shù)感知環(huán)境后，通過算法創(chuàng)建出地圖并導航，最終規(guī)劃出最優(yōu)路線。

#03 肌肉-自研伺服電機

CyberDog全身的自由度是12，單腿的自由度是3，即每只腳大腿關(guān)節(jié)處有兩個電機，小腿關(guān)節(jié)處有一個電機，共12個電機。12個電機的組合讓CyberDog可以自由地做出奔跑、跳躍、空翻等高難度動作。據(jù)悉，這12個伺服電機均由小米自研，單個最大扭矩達32N·m，最大轉(zhuǎn)速為220rpm，可以讓這只14KG重的CyberDog以11.5km/h的速度前進，這個速度大概和一個普通人晨跑的速度相當，讓主人帶著CyberDog跑步遛狗成為可能。

#04 小腦-全志MR813

CyberDog“小腦”使用的國內(nèi)知名芯片設(shè)計廠商全志科技的Allwinner MR813。MR813將負責MPC算法的執(zhí)行、運動控制、電源系統(tǒng)管理和OTA系統(tǒng)管理等工作。即CyberDog的四只腳以及上面的12個伺服電機，都將在MR813的控制下有序地行動，讓CyberDog不會出現(xiàn)順拐或者“撲街”。

MR813是全志針對運動機器人市場推出的高性能SoC，4核A53架構(gòu)，主頻高達1.6GHz，擁有豐富的音視頻接口和運動驅(qū)動接口。

據(jù)悉，MR系列芯片已經(jīng)在在掃地機器人產(chǎn)品上被廣泛應用，其中包括小米、石頭、追覓等知名廠商。本次CyberDog使用MR813也是復用追覓已經(jīng)成熟的運動驅(qū)動模塊，這樣可以保證產(chǎn)品的性價比、穩(wěn)定性和可量產(chǎn)性。

也就是說，MR813在其它產(chǎn)品上都是作為“大腦”，而在CyberDog中只用作“小腦”，可見MR813性能的強大，也透露出小米對CyberDog用料選項的踏實和良心。

CyberDog的MPC算法使用的則是知名開源四足MPC算法 MIT Mini Cheetah。對于仿生四足機器人MPC算法的研究一直是近年的熱點。MIT這套算法廣受開發(fā)者歡迎，許多DIY開發(fā)者甚至專業(yè)廠商，都會基于這套算法進行開發(fā)。MR813則是為算法的運行提供了一個高效穩(wěn)定的環(huán)境。

”

#05 神經(jīng)系統(tǒng)-系統(tǒng)整合

在整體系統(tǒng)框架方面，CyberDog使用的是主流的機器人開源架構(gòu)ROS 2，它提供一系列程序庫和工具以幫助軟件開發(fā)者創(chuàng)建機器人應用軟件，同時提供了硬件抽象、設(shè)備驅(qū)動、庫函數(shù)、可視化、消息傳遞和軟件包管理等諸多功能。

其中，Jetson Xavier NX 運行的是Ubuntu 18.04操作系統(tǒng)，11組高性能傳感器獲取到的環(huán)境信息傳到Jetson Xavier NX后，由Jetson Xavier NX進行處理，并將運動信息通過千兆網(wǎng)口下發(fā)到MR813，由MR813進行運動總控制，分別控制一個MCU進行OTA和電池包的管理和另一個MCU進行電機的控制，與12個高性能伺服電機通過CAN 2.0進行通信。

在整體系統(tǒng)框架方面，CyberDog使用的是主流的機器人開源架構(gòu)ROS 2，它提供一系列程序庫和工具以幫助軟件開發(fā)者創(chuàng)建機器人應用軟件，同時提供了硬件抽象、設(shè)備驅(qū)動、庫函數(shù)、可視化、消息傳遞和軟件包管理等諸多功能。

其中，Jetson Xavier NX 運行的是Ubuntu 18.04操作系統(tǒng)，11組高性能傳感器獲取到的環(huán)境信息傳到Jetson Xavier NX后，由Jetson Xavier NX進行處理，并將運動信息通過千兆網(wǎng)口下發(fā)到MR813，由MR813進行運動總控制，分別控制一個MCU進行OTA和電池包的管理和另一個MCU進行電機的控制，與12個高性能伺服電機通過CAN 2.0進行通信。

#市場前瞻

目前仿生領(lǐng)域四足機器人研究最成熟的研發(fā)團隊當屬波士頓動力，旗下研發(fā)的“大狗”系列仿生機器人已經(jīng)有十幾個產(chǎn)品型號分支，但售價卻達到了驚人的7.5萬美元（約合人民幣48萬），這個價格讓很多普通消費者都望而卻步。

今年 6 月，國內(nèi)的宇樹科技發(fā)布了 Unitree GO1，共有三個版本：售價 2700 美元的 G01 Air base 型號、售價 3500 美元的 G01 和售價 8500 美元的 G01 Edu，這個價格可以說率先打開了四足機器人在普通消費人群中的市場，不過礙于功能的不足，依然難以進入大眾眼界。

也就是說，Unitree GO1 起步價僅需 1.6 萬元人民幣，然而這個價格紀錄目前已被小米9999的CyberDog打破了。

但是從目前供應鏈獲取到的信息來看，Jetson Xavier NX核心模塊的市場報為3000+元，Intel Realsense D450深度攝像頭的市場報價約為1500元，這兩個關(guān)鍵元器件的成本，就已經(jīng)接近CyberDog硬件成本的一半。全志的芯片雖然一直以高性價比著稱，但是作為一個掃地機器人大腦級別的芯片，再加上12個伺服電機、電池、金屬外殼等材料，CyberDog 賣9999元的價格，真的是“交個朋友”了。截止2021年8月底，CyberDog 產(chǎn)品雖然未交貨，但是已經(jīng)有人以數(shù)倍的價格收購名額了。

小米副總裁常程在微博對于“為什么要做這樣一個機器人”的問題是這樣回應的：

“這還是一項投資未來的決策。

一方面仿生機器人未來在服務、工程、安防、醫(yī)療等諸多領(lǐng)域蘊含著巨大的市場潛力。另一方面小米作為全球化的科技公司，有必要盡早在前沿領(lǐng)域進行幾乎布局，夯實專利儲備。探索仿生機器人的過程也是在做技術(shù)預研，其中機器視覺、導航避障、人機交互、AI語音算法等技術(shù)可以反哺手機、智能家居等產(chǎn)品。”

與此同時，我們在這個產(chǎn)品中看到了小米強大的模塊整合能力，在項目中，分別調(diào)動了核心的手機影像部門、小愛同學AI部門、語音算法部門、生態(tài)鏈公司追覓、芯片原廠全志科技等眾多部門、合作伙伴，從概念設(shè)計到機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、BSP、算法移植、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)到最終產(chǎn)品交付，只用了10個月的時間。

上一次我們看到這樣集全集團之力去做一個玩具的場景，是《四驅(qū)兄弟》里的三國藤吉集合三國重工最高科技而打造他的疾速眼鏡蛇。而這些模塊其實也是自動駕駛會用到的技術(shù)熱點，結(jié)合之前宣布造車的消息，外界猜測，CyberDog其實是在為小米汽車的團隊搭建和技術(shù)預研做準備。