雙足機器人Cassie的進化

導(dǎo)讀

雙足機器人Cassie，一直以其獨特的腿部造型，與輕盈的步態(tài)備受機器人界的關(guān)注。人們甚至認為這種先進的行走步態(tài)和Atlas相比并沒有遜色很多，只是空有一雙大長腿，總是感覺怪怪的。不過，從Agility Robotics最新公布的消息來看，近日Cassie終于長出了上半身，并取名為Digit。

新舊Cassie有何不同

與舊版Cassie相比，新版顯得既高大威猛，又靈巧敏捷，它不光長出了軀干和雙臂，還擁有了一個新名字——Digit。

雖然Digit的下半身依然是Cassie經(jīng)典的“鴕鳥腿”，但鑒于其整體的仿人結(jié)構(gòu)，我們似乎還應(yīng)該把它歸為“仿人機器人”的范圍。

Digit在保留了雙腿的基礎(chǔ)上，將Cassie的臀部改裝成了連接軀干的“胯骨”。Digit增添了上身軀干和兩支4自由度的手臂，整體上身的設(shè)計十分簡潔、緊湊與輕量化，增添了雙臂的Digit會極大提升其操作能力、保持平衡能力以及摔倒后起身的能力。

軀干頂端的激光雷達以及軀干中的傳感器都有助于Digit在行走中收集數(shù)據(jù)，使它能夠在充滿障礙的地方進行導(dǎo)航。

它的數(shù)字控制系統(tǒng)也進行了改造，通過API對爬樓梯、控制步態(tài)等高級行為進行控制。此外，Digit的軀干中容納了兩個多核CPU，以及一個可以由第三臺計算機控制的模塊化有效載荷艙，支持它進行額外的感知，并強化了它的學(xué)習(xí)能力。

而在這些改裝中，最有實用價值的還是它的一雙手臂。它的手臂擁有四個自由度，極大地擴展了它的靈活性。這雙手臂可以用來保持平衡，在摔倒時支撐身體重新站起來，推開門等障礙物，以及最重要的，操縱和攜帶物體。

這就與Agility Robotics對于Cassie的最初應(yīng)用設(shè)想掛上了勾，即讓機器人送快遞，為“最后一公里”添磚加瓦。

據(jù)研究人員介紹，Digit的手臂能夠舉起大約18公斤重的箱子，也能夠?qū)⑽矬w進行堆疊，盡管還在測試階段，Digit卻已經(jīng)展示出了其擔(dān)任快遞小哥的不俗潛力。此外，研究人員也希望在加上手臂和傳感器后，Digit能夠真正在救災(zāi)等場景中發(fā)揮作用。

只是到目前為止Agility Robotics公司只公布了Digit的定妝照，并沒有讓人大飽眼福的視頻發(fā)布。各位就先看看圖片，然后讓我們共同期待視頻的后續(xù)發(fā)布吧！

Cassie之所以為“父”

聊完了Digit，我們再來聊聊Digit的“爸爸”Cassie。

這個“爸爸”可不是亂叫的，由于Digit的整體架構(gòu)完全基于Cassie之上，連研究人員都開玩笑說“Digit is a direct descendant of Cassie.（Digit是Cassie的直系后裔）”。Digit能夠完成快遞小哥的使命，在樓梯和不同地形之間跑來跑去，主要就是基于Cassie穩(wěn)定的雙腿。

可以說沒有Cassie就不會有Digit，所以“爸爸”這個稱呼Cassie當(dāng)之無愧。

那么Cassie到底為什么能夠這么穩(wěn)定且敏捷地移動呢？

原因一：更多的自由度

Cassie的兩條腿每一條都有五個自由度，均由電機驅(qū)動。臀部有三個自由度，允許腿向前、后、側(cè)三個方向擺動，與人類一致。

脛骨和腳踝上也分別有一個額外的自由度，這兩個部分并不由電機驅(qū)動，而是附著在彈簧上，有助于機器人處理前進道路上的障礙物，就算踏在臺階邊緣也可以保持平衡穩(wěn)定。

原因二：更復(fù)雜的控制

Cassie所帶的電機數(shù)量多，體積也較小，由于可移動的方向更多，移動到特定方向便要計算每個電機所需的不同扭矩，為此，控制器就需要考慮到腿的慣性以及電機和變速器的動態(tài)特性。

雖然控制變得更加復(fù)雜了，但是這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)更多行為以及更好的性能。例如下面這個在走動中立定的實驗：

可以看出，Cassie從最開始搖搖晃晃的“不倒翁”一步一步變得穩(wěn)定起來，最后連著走了幾步再站定時也幾乎不怎么晃動了。

原因三：上樓梯的步伐更加穩(wěn)定

對于雙足機器人來說，上樓梯從來都是一項不可避免的挑戰(zhàn)。Cassie一向認為世界是平的，這讓它的戶外行走進行得十分輕松，它可以在土地或草叢中連續(xù)行走一個小時。

而當(dāng)Cassie上樓梯時，這種想法就不再適用了，由于樓梯對于機器人來說是較為復(fù)雜的路況，它很有可能站立不穩(wěn)，進而摔倒。

當(dāng)控制器擴展到垂直方向，允許兩條腿上下跨步，并增加了平滑過渡時，Cassie可以邁上樓梯，但只能保持動態(tài)穩(wěn)定，不能保持靜態(tài)也同樣穩(wěn)定。

接著，研究人員讓Cassie在上樓梯的時候始終試圖保持骨盆高度一致，而不是隨著抬腿拔高身子，這樣Cassie在上樓時的身形就穩(wěn)定了許多。

尤其在連續(xù)登上幾階臺階時，Cassie的步伐顯得更加堅定有力。

研究人員還跟Cassie開了個小小的玩笑：讓Cassie連續(xù)上兩個臺階，而地上其實只擺放了一層臺階，這種情況Cassie會如何處理呢？

可以看出，Cassie在上第二階踏空時有一個明顯的向上踮腳的動作，但這不存在的一節(jié)階梯并未對它的平衡性產(chǎn)生影響，Cassie依然保持了穩(wěn)定。如果此處替換成蒙眼的人類，在第二階踩空的時候很有可能已經(jīng)摔倒了。所以從某種意義上來說，Cassie的動態(tài)穩(wěn)定性還是要比人類好了許多的。

有這樣一個跑步爬樓梯都不在話下的底座作為基礎(chǔ)，可以想見Digit將能夠如何在無人快遞領(lǐng)域大展身手了。