北京2022年冬殘奧會(huì)日前閉幕了。在本屆冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)上，閃光出彩的不光是那些拼搏的運(yùn)動(dòng)員，還有各種酷炫的高科技。比如，中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所在“科技冬奧”重點(diǎn)專項(xiàng)支持下研發(fā)的多種類型機(jī)器人就十分吸睛。

       兩名機(jī)器人“火炬手”完成水下傳遞。

       協(xié)助冬殘奧火炬手完成接力的上肢助力外骨骼機(jī)器人

       3月4日，在北京2022年冬殘奧會(huì)火炬?zhèn)鬟f活動(dòng)中，上肢助力外骨骼機(jī)器人成功協(xié)助火炬手傳遞火炬，彰顯了奧運(yùn)與科技融合的理念。

      在火炬?zhèn)鬟f中，火炬手彭園園佩戴上肢助力外骨骼機(jī)器人完成接力，舉起火炬。傳遞過程中，她靈活運(yùn)用外骨骼機(jī)器人揮舞致意，使用自身手臂與其流暢自如交替火炬。外骨骼機(jī)器人全程穩(wěn)定抓握火炬，點(diǎn)燃下一棒火炬，幫助彭園園實(shí)現(xiàn)了雙手操作的夢(mèng)想。

      科研人員在上肢助力外骨骼機(jī)器人的研制中，突破了人機(jī)神經(jīng)接口技術(shù)，創(chuàng)新研制了貼合皮膚的多模態(tài)信息采集系統(tǒng)，準(zhǔn)確解析受試者意念，實(shí)現(xiàn)了殘肢與外骨骼機(jī)器人間的自然操控；突破了殘肢功能再造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了外骨骼擬人化設(shè)計(jì)，確保手臂具備精細(xì)操作、負(fù)重操作能力。

       讓殘疾人生活更美好，是科研人員一直以來的奮斗目標(biāo)。此次活動(dòng)展示的新一代行為輔助機(jī)器人系統(tǒng)，為殘疾人像健全人一樣生活、學(xué)習(xí)帶來了希望。

       火炬手彭園園使用上肢助力外骨骼機(jī)器人進(jìn)行火炬?zhèn)鬟f。

       會(huì)變身的水下變結(jié)構(gòu)機(jī)器人

       2022年2月2日，奧運(yùn)史上首次由兩名機(jī)器人“火炬手”完成水下傳遞！在北京冬奧公園蓮石湖下，水陸兩棲機(jī)器人與水下變結(jié)構(gòu)機(jī)器人完成了精彩的火炬接力。

       在冰面下，水下變結(jié)構(gòu)機(jī)器人游向下潛而來的水陸兩棲機(jī)器人，又穩(wěn)又準(zhǔn)地對(duì)接了機(jī)器人小伙伴“手”中的火炬。隨后，水下變結(jié)構(gòu)機(jī)器人依靠自身高精度的冰下組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)，精準(zhǔn)地游至洞口，如芙蓉出水一般浮出水面，點(diǎn)燃下一棒火炬。機(jī)器人的水下接力也成為北京冬奧火炬?zhèn)鬟f的亮點(diǎn)。

       水下變結(jié)構(gòu)機(jī)器人就是一個(gè)會(huì)“變身”的機(jī)器人，通過本體可變形的設(shè)計(jì)，它既能高效航行，又能穩(wěn)定作業(yè)。想要快速航行時(shí)，機(jī)器人就把機(jī)械臂與火炬藏在身體里，外形呈現(xiàn)為優(yōu)美的流線型，這樣可以保證高效航行模式下的水動(dòng)力性能。想要傳遞火炬時(shí)，機(jī)器人就利用升降機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)載體上下分離，完成“變身”，再切換到穩(wěn)定作業(yè)模式，機(jī)器人伸出握著火炬的七功能靈巧機(jī)械臂，此時(shí)的機(jī)器人可以小范圍機(jī)動(dòng)和懸停作業(yè)，來完成水下火炬?zhèn)鬟f。

       機(jī)器人與機(jī)器人之間水下火炬?zhèn)鬟f既是亮點(diǎn)，也是難點(diǎn)?？蒲袌F(tuán)隊(duì)突破了復(fù)雜流場(chǎng)擾動(dòng)的水下動(dòng)態(tài)對(duì)準(zhǔn)、機(jī)器人—機(jī)械臂厘米級(jí)精準(zhǔn)作業(yè)、冰下高精度定位導(dǎo)引等關(guān)鍵技術(shù)，保證了水下變結(jié)構(gòu)機(jī)器人這一浮動(dòng)平臺(tái)，在野外復(fù)雜流場(chǎng)擾動(dòng)條件下，控制機(jī)械臂手持火炬，達(dá)到并持續(xù)保持在末端厘米級(jí)的對(duì)接精度，從而順利完成火炬?zhèn)鬟f任務(wù)。

      “云雀”飛行機(jī)器人

      能水陸兩棲的機(jī)器人

      在上文提到的兩名機(jī)器人“火炬手”完成水下傳遞中，另一個(gè)主角就是水陸兩棲機(jī)器人。

      水陸兩棲機(jī)器人采用仿冰壺的造型，當(dāng)火炬手將兩棲機(jī)器人火炬點(diǎn)燃后，它開始揮舞手臂，驕傲地向全世界展示這一光榮的時(shí)刻。揮舞火炬的同時(shí)開始旋轉(zhuǎn)，火焰隨風(fēng)飄動(dòng)，在冰雪覆蓋的蓮石湖畔顯得格外飄逸。研發(fā)團(tuán)隊(duì)研究了冰面、水下的環(huán)境模型，通過多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲取了兩棲機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)，完成兩棲機(jī)器人總體布局設(shè)計(jì)，使其具備了在冰面上低溫、低摩擦環(huán)境下的精準(zhǔn)導(dǎo)航和全向運(yùn)動(dòng)能力，從而實(shí)現(xiàn)兩棲機(jī)器人從冰面到水下的跨介質(zhì)火炬?zhèn)鬟f。

      伴隨機(jī)械臂的舞動(dòng)，兩棲機(jī)器人一路旋轉(zhuǎn)，在冰壺賽道上以優(yōu)美的運(yùn)動(dòng)曲線展示科技之美，到達(dá)黃色圓壘沿斜面進(jìn)入冰洞。研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過兩棲機(jī)器人多運(yùn)動(dòng)模式控制，完成不同運(yùn)動(dòng)模式的流暢切換。兩棲機(jī)器人入水后在水面調(diào)整位置、姿態(tài)，開啟水下火焰模式后，垂直下潛到指定位置，穩(wěn)定懸停定位，等待與水下變結(jié)構(gòu)機(jī)器人的火炬對(duì)接。

       水陸兩棲機(jī)器人與水下變結(jié)構(gòu)機(jī)器人以浮游在水中的方式進(jìn)行火炬接力，極易受水流等影響而發(fā)生晃動(dòng)。因此，兩棲機(jī)器人不僅要在冰面上滑得好，還要在水下停得穩(wěn)。研發(fā)團(tuán)隊(duì)全面評(píng)估了運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)械手火炬?zhèn)鬟f對(duì)機(jī)器人整體動(dòng)力學(xué)和穩(wěn)定性的影響，實(shí)現(xiàn)了水中精準(zhǔn)定位懸停，為水下火炬接力成功奠定了基礎(chǔ)。

       水陸兩棲機(jī)器人

       在空中“接力”的飛行機(jī)器人

       這里我們要說的主角“云雀”飛行機(jī)器人，它的任務(wù)是在空中通過機(jī)械臂與冰面上的水陸兩棲機(jī)器人完成全程全自主的火炬對(duì)接傳遞，并進(jìn)行冬奧火炬的空中展示。

       如果將以往大范圍觀測(cè)任務(wù)比作“快馬加鞭”的話，這對(duì)“云雀”來說就是小尺度范圍內(nèi)“穿針引線”的精細(xì)活兒，對(duì)飛行機(jī)器人系統(tǒng)提出了新的技術(shù)挑戰(zhàn)：強(qiáng)大的飛行控制器是“云雀”的“大腦”，能夠在近地?cái)_流和機(jī)械臂擾動(dòng)下完成精準(zhǔn)穩(wěn)定的懸停；近紅外視覺系統(tǒng)作為“云雀”的“眼睛”，能夠準(zhǔn)確捕捉到冰面火炬并識(shí)別燃燒狀態(tài)；搭載的多自由度機(jī)械臂相當(dāng)于“云雀”的“手臂”，能夠通過“機(jī)臂協(xié)同”和“手眼協(xié)同”完成高精度伺服作業(yè)；而艙內(nèi)的主動(dòng)熱平衡系統(tǒng)就像“云雀”的“體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)”，能夠在超低溫環(huán)境下保持艙內(nèi)器件工作溫度恒定。

       水下變結(jié)構(gòu)機(jī)器人

       穿山越嶺的地面機(jī)器人

       這款地面移動(dòng)機(jī)器人，在冬奧公園展示了多種地形環(huán)境通過、自主定位、自主導(dǎo)航等功能，還展示了與火炬手以及兩棲機(jī)器人的模擬對(duì)接，可謂“身懷絕技”。

       穿山越嶺跑得快：機(jī)器人的設(shè)計(jì)結(jié)合了輪式移動(dòng)平臺(tái)和仿人雙臂結(jié)構(gòu)。地面機(jī)器人的下半身采用了六輪全地形移動(dòng)平臺(tái)，這種移動(dòng)平臺(tái)可以自適應(yīng)多種野外地形環(huán)境，無論是沙地、草地、雪地、斜坡、臺(tái)階、溝壑都能夠如履平地，機(jī)器人最大移動(dòng)速度可以達(dá)到14公里/小時(shí)。

       手臂靈活視力好：為了更好地契合奧運(yùn)人文理念，機(jī)器人的上半身采用了仿人型結(jié)構(gòu)。機(jī)器人的軀干部分有兩個(gè)自由度，每個(gè)手臂分別有七個(gè)自由度，可以做出和人一樣的肢體動(dòng)作。機(jī)器人的頭部也具有俯仰和回轉(zhuǎn)兩個(gè)自由度，可快速靈活轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，頭部還配有雙目立體視覺，操作者可以在遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)的3D沉浸感立體畫面。

       會(huì)畫地圖能導(dǎo)航：機(jī)器人還配備了機(jī)器視覺、慣性導(dǎo)航、激光雷達(dá)等傳感器，可以在線創(chuàng)建機(jī)器人行駛區(qū)域的環(huán)境地圖，還能根據(jù)地圖中的自身位置進(jìn)行自主路徑規(guī)劃和導(dǎo)航。

      可視精準(zhǔn)的手術(shù)機(jī)器人

      冬奧會(huì)等國際大型重要體育賽事的醫(yī)療突發(fā)事件風(fēng)險(xiǎn)高、運(yùn)動(dòng)損傷高發(fā)，手術(shù)機(jī)器人在提高手術(shù)效率方面派上了大用場(chǎng)。

       實(shí)時(shí)圖像引導(dǎo)的可視精準(zhǔn)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，已經(jīng)用在了冬奧會(huì)等大型體育賽事的醫(yī)療保障上。這個(gè)手術(shù)機(jī)器人能夠在微創(chuàng)手術(shù)時(shí)提供精準(zhǔn)的神經(jīng)外科、脊柱外科輔助手術(shù)服務(wù)?？蒲腥藛T突破了多功能運(yùn)動(dòng)創(chuàng)傷手術(shù)機(jī)器人異維多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像融合配準(zhǔn)、手術(shù)實(shí)時(shí)可視化、術(shù)中導(dǎo)航實(shí)時(shí)操控等關(guān)鍵技術(shù)及方法，使手術(shù)機(jī)器人可從手、眼兩個(gè)維度拓展醫(yī)生的能力。

       “延長”醫(yī)生的手：科研人員為手術(shù)機(jī)器人添加了細(xì)長器械，以此代替醫(yī)生的雙手，從而擴(kuò)大醫(yī)生的操作范圍，還能保證術(shù)中器械的相對(duì)穩(wěn)定。通過這種方式，在提高手術(shù)精度的同時(shí)緩解醫(yī)生高強(qiáng)度的體力勞動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)生手的擴(kuò)展。

      “明亮”醫(yī)生的眼：在手術(shù)中進(jìn)行影像采集，會(huì)對(duì)人體造成額外射線損傷?？蒲腥藛T利用光學(xué)掃描儀取代透視影像設(shè)備，在手術(shù)中實(shí)時(shí)掃描手術(shù)區(qū)域，降低了透視設(shè)備對(duì)醫(yī)生和患者的身體損傷。此外，通過多傳感器標(biāo)定算法，將解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維醫(yī)學(xué)影像顯示，為醫(yī)生提供“透視眼”，呈現(xiàn)了更清晰形象的人體透視圖，從而擴(kuò)展醫(yī)生的眼。