機器人評論：索尼2001年產的機械狗是個啥構造？
本文由蛋友 Aler 投遞
大家好我是Aler，一個機器人愛好者。
我開始做這個系列的動機是：日本的機器人設計製造工藝有很多值得我們學習的地方；而Aibo系列。自1999年問世以來，至今已經有20年歷史了，這在現代機器人領域少有的多自由度機器人商用化的例子(雖然是以高級玩具的形式)。20年前的工程師就已經有了這種成熟程度的思考和產品化的能力，這非常了不起。在觀察和學習Aibo的時候我經常能發現很多有趣到令人驚嘆的設計思路。我自己同時也是一家機器人公司的創始人和一個機器人工程師，由於我們的產品在從設計到生產的過程中也經歷過無數的坑，結合自己在產品設計生產方面的經驗深入地分析一下這些機器人產品的特點，給大家從不同的角度分享下這件工程學上的傑作。
我平常並不寫技術博客，分享到煎蛋來主要是覺得這裡可能會有對機器人感興趣的人，同時也覺得現在煎蛋翻譯的文章越來越短，內容越來越神棍，乾貨比例直線下降，導致很多人現在一上煎蛋就跳過主頁直奔無聊圖開始摸魚(不，我說的並不是我，我只是在陳述這個現象，真的。)需要一些改變。平時工作比較忙，現在正好趁著過年整理下。全文基本上都是從零手打，也沒啥具體的參考資料，都是自己在研究過程中總結下來的。煎蛋首發！
今天先簡單介紹下我在2018年機緣巧合收到的兩隻索尼產的機械狗Aibo: ERS210(Blue) 和ERS311：
這是剛收到時210的包裝箱。實際上裡面的狗狗長這樣：
ERS210(右)是索尼機械狗里的第二世代，首次發行時間為2001年，也就是已經18歲了，售價為150,000日元；而左邊的白色是ERS311(左)，第三世代的機械狗，時間為2003年，發行售價為98000日元。當然說是發行售價，實際上現在這些狗狗都已經是及其具有歷史感的電子古董了，全新的市場上幾乎是無法找到的。而成色新，功能健全的狗狗的價值一般會遠遠高於發行價格。當然也有很多因為各種原因損壞的二手狗狗，給了很多有能力維修的人很多撿漏的機會。
篇幅原因，我一隻一隻寫。今天的主角是這隻ERS210，這隻Aibo已經18歲了！18歲！在我按下開關鍵，狗狗舒展身體，各個關節開始正常運轉的那個瞬間，我真的感受到了什麼是」Proper Engineering」, 讓我無數次驚嘆日本的工程師在設計上花的心思，用料上的紮實。我知道這聽起來是一個寬泛的陳述，我會在以後的文章詳細評論他們的工程投入。
ERS210技術上相對第一世代已經比較成熟了，採用了模塊化設計，四肢和頭還有手都可以通過一個滑塊結構輕鬆的拆除。ERS310作為一款「降級」版本的狗狗，被賦予了更可愛的外觀，更低的價格，同時也閹割掉了模塊化設計和很多自由度。整隻狗的自由度(在多關節機器人系統里自由度可理解為可活動關節)已下圖上標出：
簡單的說：每條四肢三個自由度；尾巴兩個自由度，可以同時上下左右搖晃，裡面用了一組很有趣的共軸萬向節傳動機構，使得體積進一步縮小；ERS210的頭部相對複雜很多，一對耳朵各2個自由度，脖子三個自由度，所以不但可以點頭搖頭，甚至可以歪頭，同時嘴巴上很慷慨的也加了一個電機，可以張和嘴巴，讓整個狗狗的神態有靈氣很多(對比之下，國內近幾年某頭和身體梗著連在一起脖子一個關節也沒有的人型機器機器人簡直是…誒，比狗還不像人…這是18年前的產品啊同志們，18年前！)ERS311的頭部就簡化了很多，耳朵是沒有電機的，就是掛在那裡…同樣頭部也少了左右歪頭的自由度；尾部的電動尾巴也給替換成了一個搖桿(輸出轉輸入？還挺有意思的，經過後來的調查發現這根尾巴真的可以當遙控器使)四肢基本一樣。
好的簡介到此結束(不好意思我一說起機器人來就剎不住車，我盡量保持簡潔…)，我們先從視頻了解下Aibo ERS210：
視頻1 What can Aibo ERS-210 do :
視頻2 Aibo ERS-210 dancing to music:
Aibo的行為主要取決於身體內放置的記憶棒。一般Aibo默認隨機攜帶的卡都是成長卡,「Aibo Life」，類似一個實體養成遊戲，可以把狗狗從小養大，根據方式不同狗狗會成長為不同的性格，也會對應不同的行為。總之就是非常額眉zing。還有「派對吉祥物」「舞蹈者Aibo」「Aibo好朋友」等各種功能卡。根據卡的內容不一樣，Aibo會執行不同的任務，聽起來非常的符合邏輯，唯一的小問題是，一張卡的內存大概只有8M(手動捂臉)，所以能做的事情其實相當有限…在這上面編寫程序有種在寫8Bit遊戲的感覺哈哈
拿這個視頻做一個例子，視頻開頭按下開關後機械狗首先開始Boot Up。得力於索尼自己開發了基於MIPS架構的內核，使得開機時間僅僅需要15秒！(我也不知道我說這句話的時候到底有沒有在反諷) 在Boot Up過程中記憶卡的內容被Load到內核里，然後Aibo慢慢開始蘇醒。第一個四腳張開的動作是為了確保Aibo能夠從任意姿態恢復到站立的複位動作。看起來是個笨辦法，不過有意思的是我後來發現Aibo是有內置IMU的!!! (Inertia Measuring Unit) 所以Aibo理論上是自己知道自己的姿態的。IMU現在每個智能手機，無人機，智能手環都有，但是在2001年絕對是稀罕玩意，能用在Aibo上不知道索尼又多花了多少錢…
視頻里展現的很多動作組其實是非常值得推敲的：
比如裡面一個簡單的打招呼，從輸入到輸出端依次經過了：人的聲音>進入麥克風>離線進行聲紋比對>語音識別>協同控制三自由度的狗爪子和狗頭運動
而像踢球經過了：攝像頭捕捉圖像(那個時候的幀率，解析度都低的可憐，存儲卡一次能存7張照片…)>顏色+形狀識別>判斷距離和方向(只有一個攝像頭！不是雙目！ 餓妹zing！)>驅動四足進行Locomotion>通過肢體運動學控制全身或手臂撞擊球體
最後的聽歌抖動身體，也相當的複雜，要知道這個硬體是2000年定稿開始設計的，板載計算能力和今天的計算機相比天差地別。所以在有限的算力下索尼的工程師是怎麼得到最好的效果的呢？我猜測是做了分段判斷，並且將動作編組，相對於根據每一個beat調整動作，根據一整段節奏調整動作組的播放時間和動作組的類型聽起來更經濟一些，事實上經過我的測試我認為他們也是這麼做的。
在繼續往下說之前大家可以先參考下我這張Windows畫板強行繪出的Aibo功能結構圖：
粗略的分一下機械狗身上的輸入輸出設備：
輸入：頭部的麥克風陣列，攝像頭，紅外距離檢測感測器，四肢的輕觸開關，頭頂，下巴，以及後背上的觸摸開關
輸出：揚聲器，LED陣列，舵機模塊，螺線管模塊
Aibo本身的結構是這樣的：它的計算中樞在胸腔里，索尼官方稱之為「Core」。Core是一個每個面都有連接器的類似方盒子一樣的東西，兩面分別連接了四肢，頂面連接了頭部和尾部。而在Core的內部承載著可更換的電池模組和「大腦」——沒錯就是萬惡的索尼Memory Stick。其實說是大腦，也只是方便大家理解，實際上Memory Stick里的東西更像是一組組動作的指令集，主要描述了當A事件發生的時候應該執行B指令，B指令包括對每個電機具體角度速度的定義等等。下層基本的電機控制，感測器的預處理應該都是在Core裡面實現的。
這就是Core. 到這一步其實都並不能算是很複雜的拆解，事實上索尼的模塊化設計本來就允許用戶用一個小探針隨意的拆卸四肢和頭部尾巴，最開始的目的可能是為了設備的可維護性。(比如用戶的Aibo左腿受損，只需要從廠家訂購一條腿而不是寄回整隻狗給索尼去維修，這樣大大降低運輸成本和售後成本。)，可是在從第三世代，以及其之後的版本里索尼都取消了模塊化設計，原因不明。我個人覺得這個設計非常天才，我沒事就喜歡拆狗玩。
這個設計通過一組2*3的卡槽限制住5個自由度，和一個凸起的卡扣鎖住外部零件。
粗拆之後大概長這樣：
Core同時連接六個部分，頭部，四肢和尾巴。其中四肢最容易理解，主要由三個高度定製化的舵機模塊構成，作為系統的輸出。而在每條腿的掌心有一個小開關作為輸入，來檢測腳掌是否與地面接觸，便宜又好用。比如當Aibo四隻腳全部離開地面時，它會自己伸直前腿和後腿，像是被舉高在水面上的柯基一樣，讓自己更整體，以保護自己不會在突然的墜落中折斷四肢。非常科學。
上圖是打開外殼后里面骨架的樣子。這種骨架+外殼的設計方法讓我想到萬代的MG，PG高達模型。雖然這張照片還沒往裡面拆，不過我們已經可以看到一個兩條腿的結構非常緊湊，這裡有一個我一直認為明顯有很多優點但是現在國內很少看到有人做的設計，也就是通過一個定製化的電機系統設計一個中心出軸的輸出軸：
左側的圖是現在市面上看到的很多人形機器人的設計方法，拿一個單邊出軸的舵機(黑色)，套上一個H形的架子(藍色)，在反面做一個虛軸(紅色標記部分)，然後把另外半邊連上去。在外側再套一層工業設計過的外殼(綠色)。好的，這樣你就獲得了一個完美的垃圾舵機系統。他結構強度低，占的空間高，扭矩空間比低，並且非常不優雅。什麼叫優雅？恰到好處的設計。我們再看右圖，索尼的設計就非常優雅，中心出軸，兩側都有軸承，結構強度高，扭矩密度高，同時工業設計可以不用小心翼翼地繞過所有傻傻的結構件。
頭部：
一邊的耳朵有兩個自由度，可以旋轉和朝向臉頰方向摺疊。有意思的是為了節省成本，這裡的驅動器採用了兩組定製化的「solenoid」(應該翻譯成螺線管？) 出於工程師的好奇和對真理的追尋，我把它拆了，大家可以看下反面的構造：
實際上是一個異形的線圈固定在一個限制了軌道的零件上，也就是說只有開盒合兩個狀態。雖然只有兩個狀態，但實際上這個執行器有兩個方向的運動：旋轉和摺疊。運用一個連桿軌道實現，讓耳朵看起來更靈動。這麼做的好處是可以節省體積；傳統的做法一般是在耳朵上直接裝兩組正交的舵機系統，但是體積大，成本高而且耳朵負載很小，沒有必要採用舵機系統。這一組執行器的結構是針對這個耳朵模組專門設計的，索尼的工程師為了在頭部這麼小的空間里塞進一對能動的耳朵真的下了很多功夫！
我突然發現如果每個零件都照我這麼寫這篇文章可能會長出天際，今天先簡單介紹下結構，到此為止。這僅僅是粗拆，很多極其精妙的設計都隱藏在細節里，詳細的拆解內容可能要在日後的文章中再寫。我不太確定自己的更新頻率，不過我還有很多很多有關機器人設計方面想說的話，理想狀態下應該還有很多可以分享給大家的東西，我們下次再見。
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