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

協(xié)助冬殘奧火炬手完成接力的上肢助力外骨骼機器人

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

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

科研人員在上肢助力外骨骼機器人的研制中，突破了人機神經(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，實現(xiàn)了殘肢與外骨骼機器人間的自然操控;突破了殘肢功能再造技術(shù)，實現(xiàn)了外骨骼擬人化設(shè)計，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)。此次活動展示的新一代行為輔助機器人系統(tǒng)，為殘疾人像健全人一樣生活、學(xué)習(xí)帶來了希望。

會變身的水下變結(jié)構(gòu)機器人

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

在冰面下，水下變結(jié)構(gòu)機器人游向下潛而來的水陸兩棲機器人，又穩(wěn)又準(zhǔn)地對接了機器人小伙伴“手”中的火炬。隨后，水下變結(jié)構(gòu)機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，點燃下一棒火炬。機器人的水下接力也成為北京冬奧火炬?zhèn)鬟f的亮點。

水下變結(jié)構(gòu)機器人就是一個會“變身”的機器人，通過本體可變形的設(shè)計，它既能高效航行，又能穩(wěn)定作業(yè)。想要快速航行時，機器人就把機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力性能。想要傳遞火炬時，機器人就利用升降機構(gòu)實現(xiàn)載體上下分離，完成“變身”，再切換到穩(wěn)定作業(yè)模式，機器人伸出握著火炬的七功能靈巧機械臂，此時的機器人可以小范圍機動和懸停作業(yè)，來完成水下火炬?zhèn)鬟f。

機器人與機器人之間水下火炬?zhèn)鬟f既是亮點，也是難點?？蒲袌F隊突破了復(fù)雜流場擾動的水下動態(tài)對準(zhǔn)、機器人—機械臂厘米級精準(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)機器人這一浮動平臺，在野外復(fù)雜流場擾動條件下，控制機械臂手持火炬，達(dá)到并持續(xù)保持在末端厘米級的對接精度，從而順利完成火炬?zhèn)鬟f任務(wù)。

能水陸兩棲的機器人

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

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

伴隨機械臂的舞動，兩棲機器人一路旋轉(zhuǎn)，在冰壺賽道上以優(yōu)美的運動曲線展示科技之美，到達(dá)黃色圓壘沿斜面進(jìn)入冰洞。研發(fā)團隊通過兩棲機器人多運動模式控制，完成不同運動模式的流暢切換。兩棲機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)機器人的火炬對接。

水陸兩棲機器人與水下變結(jié)構(gòu)機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。因此，兩棲機器人不僅要在冰面上滑得好，還要在水下停得穩(wěn)。研發(fā)團隊全面評估了運動過程中機械手火炬?zhèn)鬟f對機器人整體動力學(xué)和穩(wěn)定性的影響，實現(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)。

在空中“接力”的飛行機器人

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

如果將以往大范圍觀測任務(wù)比作“快馬加鞭”的話，這對“云雀”來說就是小尺度范圍內(nèi)“穿針引線”的精細(xì)活兒，對飛行機器人系統(tǒng)提出了新的技術(shù)挑戰(zhàn)：強大的飛行控制器是“云雀”的“大腦”，能夠在近地擾流和機械臂擾動下完成精準(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別燃燒狀態(tài);搭載的多自由度機械臂相當(dāng)于“云雀”的“手臂”，能夠通過“機臂協(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。

穿山越嶺的地面機器人

這款地面移動機器人，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器人的模擬對接，可謂“身懷絕技”。

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

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

會畫地圖能導(dǎo)航：機器人還配備了機器視覺、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)機器人

冬奧會等國際大型重要體育賽事的醫(yī)療突發(fā)事件風(fēng)險高、運動損傷高發(fā)，手術(shù)機器人在提高手術(shù)效率方面派上了大用場。

實時圖像引導(dǎo)的可視精準(zhǔn)手術(shù)機器人系統(tǒng)，已經(jīng)用在了冬奧會等大型體育賽事的醫(yī)療保障上。這個手術(shù)機器人能夠在微創(chuàng)手術(shù)時提供精準(zhǔn)的神經(jīng)外科、脊柱外科輔助手術(shù)服務(wù)。科研人員突破了多功能運動創(chuàng)傷手術(shù)機器人異維多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像融合配準(zhǔn)、手術(shù)實時可視化、術(shù)中導(dǎo)航實時操控等關(guān)鍵技術(shù)及方法，使手術(shù)機器人可從手、眼兩個維度拓展醫(yī)生的能力。

“延長”醫(yī)生的手：科研人員為手術(shù)機器人添加了細(xì)長器械，以此代替醫(yī)生的雙手，從而擴大醫(yī)生的操作范圍，還能保證術(shù)中器械的相對穩(wěn)定。通過這種方式，在提高手術(shù)精度的同時緩解醫(yī)生高強度的體力勞動，從而實現(xiàn)對醫(yī)生手的擴展。

“明亮”醫(yī)生的眼：在手術(shù)中進(jìn)行影像采集，會對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)中實時掃描手術(shù)區(qū)域，降低了透視設(shè)備對醫(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，從而擴展醫(yī)生的眼。

關(guān)鍵詞： 冬殘奧會 中國文化 骨骼機器人 冰雪運動