双足机器人Cassie的进化

导读

双足机器人Cassie，一直以其独特的腿部造型，与轻盈的步态备受机器人界的关注。人们甚至认为这种先进的行走步态和Atlas相比并没有逊色很多，只是空有一双大长腿，总是感觉怪怪的。不过，从Agility Robotics最新公布的消息来看，近日Cassie终于长出了上半身，并取名为Digit。

新旧Cassie有何不同

与旧版Cassie相比，新版显得既高大威猛，又灵巧敏捷，它不光长出了躯干和双臂，还拥有了一个新名字——Digit。

虽然Digit的下半身依然是Cassie经典的“鸵鸟腿”，但鉴于其整体的仿人结构，我们似乎还应该把它归为“仿人机器人”的范围。

Digit在保留了双腿的基础上，将Cassie的臀部改装成了连接躯干的“胯骨”。Digit增添了上身躯干和两支4自由度的手臂，整体上身的设计十分简洁、紧凑与轻量化，增添了双臂的Digit会极大提升其操作能力、保持平衡能力以及摔倒后起身的能力。

躯干顶端的激光雷达以及躯干中的传感器都有助于Digit在行走中收集数据，使它能够在充满障碍的地方进行导航。

它的数字控制系统也进行了改造，通过API对爬楼梯、控制步态等高级行为进行控制。此外，Digit的躯干中容纳了两个多核CPU，以及一个可以由第三台计算机控制的模块化有效载荷舱，支持它进行额外的感知，并强化了它的学习能力。

而在这些改装中，最有实用价值的还是它的一双手臂。它的手臂拥有四个自由度，极大地扩展了它的灵活性。这双手臂可以用来保持平衡，在摔倒时支撑身体重新站起来，推开门等障碍物，以及最重要的，操纵和携带物体。

这就与Agility Robotics对于Cassie的最初应用设想挂上了勾，即让机器人送快递，为“最后一公里”添砖加瓦。

据研究人员介绍，Digit的手臂能够举起大约18公斤重的箱子，也能够将物体进行堆叠，尽管还在测试阶段，Digit却已经展示出了其担任快递小哥的不俗潜力。此外，研究人员也希望在加上手臂和传感器后，Digit能够真正在救灾等场景中发挥作用。

只是到目前为止Agility Robotics公司只公布了Digit的定妆照，并没有让人大饱眼福的视频发布。各位就先看看图片，然后让我们共同期待视频的后续发布吧！

Cassie之所以为“父”

聊完了Digit，我们再来聊聊Digit的“爸爸”Cassie。

这个“爸爸”可不是乱叫的，由于Digit的整体架构完全基于Cassie之上，连研究人员都开玩笑说“Digit is a direct descendant of Cassie.（Digit是Cassie的直系后裔）”。Digit能够完成快递小哥的使命，在楼梯和不同地形之间跑来跑去，主要就是基于Cassie稳定的双腿。

可以说没有Cassie就不会有Digit，所以“爸爸”这个称呼Cassie当之无愧。

那么Cassie到底为什么能够这么稳定且敏捷地移动呢？

原因一：更多的自由度

Cassie的两条腿每一条都有五个自由度，均由电机驱动。臀部有三个自由度，允许腿向前、后、侧三个方向摆动，与人类一致。

胫骨和脚踝上也分别有一个额外的自由度，这两个部分并不由电机驱动，而是附着在弹簧上，有助于机器人处理前进道路上的障碍物，就算踏在台阶边缘也可以保持平衡稳定。

原因二：更复杂的控制

Cassie所带的电机数量多，体积也较小，由于可移动的方向更多，移动到特定方向便要计算每个电机所需的不同扭矩，为此，控制器就需要考虑到腿的惯性以及电机和变速器的动态特性。

虽然控制变得更加复杂了，但是这样就能够实现更多行为以及更好的性能。例如下面这个在走动中立定的实验：

可以看出，Cassie从最开始摇摇晃晃的“不倒翁”一步一步变得稳定起来，最后连着走了几步再站定时也几乎不怎么晃动了。

原因三：上楼梯的步伐更加稳定

对于双足机器人来说，上楼梯从来都是一项不可避免的挑战。Cassie一向认为世界是平的，这让它的户外行走进行得十分轻松，它可以在土地或草丛中连续行走一个小时。

而当Cassie上楼梯时，这种想法就不再适用了，由于楼梯对于机器人来说是较为复杂的路况，它很有可能站立不稳，进而摔倒。

当控制器扩展到垂直方向，允许两条腿上下跨步，并增加了平滑过渡时，Cassie可以迈上楼梯，但只能保持动态稳定，不能保持静态也同样稳定。

接着，研究人员让Cassie在上楼梯的时候始终试图保持骨盆高度一致，而不是随着抬腿拔高身子，这样Cassie在上楼时的身形就稳定了许多。

尤其在连续登上几阶台阶时，Cassie的步伐显得更加坚定有力。

研究人员还跟Cassie开了个小小的玩笑：让Cassie连续上两个台阶，而地上其实只摆放了一层台阶，这种情况Cassie会如何处理呢？

可以看出，Cassie在上第二阶踏空时有一个明显的向上踮脚的动作，但这不存在的一节阶梯并未对它的平衡性产生影响，Cassie依然保持了稳定。如果此处替换成蒙眼的人类，在第二阶踩空的时候很有可能已经摔倒了。所以从某种意义上来说，Cassie的动态稳定性还是要比人类好了许多的。

有这样一个跑步爬楼梯都不在话下的底座作为基础，可以想见Digit将能够如何在无人快递领域大展身手了。