數(shù)數(shù)冬奧會上的酷炫機器人

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。

兩名機器人“火炬手”完成水下傳遞。

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。

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，確保手臂具備精細操作、負重操作能力。

會變身的水下變結(jié)構(gòu)機器人

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。

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)。

“云雀”飛行機器人

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。

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，到達黃色圓壘沿斜面進入冰洞。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。

在空中“接力”的飛行機器人

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。

水下變結(jié)構(gòu)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”。

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，操作者可以在遠程實時獲取現(xiàn)場的3D沉浸感立體畫面。

可視精準(zhǔn)的手術(shù)機器人

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)?？蒲腥藛T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。

“明亮”醫(yī)生的眼：在手術(shù)中進行影像采集，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。(沈自)

【第一對焦：沈陽自動化所】中國科學(xué)院沈陽自動化研究所

中國科學(xué)院沈陽自動化研究所(以下簡稱沈陽自動化所)成立于1958年，主要研究方向是機器人、智能制造和光電信息技術(shù)。研究所擁有以中國工程院院士為頂尖人才、“杰青”基金獲得者等為領(lǐng)軍人才、青年拔尖人才等為骨干的人才梯隊。

建所六十多年來，沈陽自動化所在自動化科學(xué)與工程領(lǐng)域不斷探索，為國民經(jīng)濟、社會發(fā)展和國家安全做出了突出貢獻，獲得國家、中科院、各部委及地方獎勵300余項。作為中國機器人事業(yè)的搖籃，在中國機器人事業(yè)發(fā)展歷史上創(chuàng)造了二十多個第一，引領(lǐng)中國機器人技術(shù)的研究發(fā)展，解決了國家制造業(yè)發(fā)展一系列重大關(guān)鍵技術(shù)問題。

1999年成為中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程首批試點單位以來，沈陽自動化所著眼國民經(jīng)濟和國家安全重大戰(zhàn)略需求，凝練研究方向，開展創(chuàng)新研究，在先進制造和智能機器、機器人學(xué)應(yīng)用基礎(chǔ)研究、工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)化、水下智能裝備及系統(tǒng)、特種機器人、工業(yè)數(shù)字化控制系統(tǒng)、無線傳感與通信技術(shù)、新型光電系統(tǒng)、大型數(shù)字化裝備及控制系統(tǒng)等研究與開發(fā)方面取得大批成果，形成技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢。

2014年，沈陽自動化所深入貫徹“率先行動”計劃，組建了中國科學(xué)院機器人與智能制造創(chuàng)新研究院，圍繞產(chǎn)業(yè)鏈，打通創(chuàng)新鏈，形成了“科學(xué)研究、工程應(yīng)用、檢測評估、標(biāo)準(zhǔn)制定”四位一體的發(fā)展態(tài)勢。

沈陽自動化所近年來科研成果令人矚目。“海翼”水下滑翔機于2017年打破世界水下滑翔機最大下潛深度紀(jì)錄并入選習(xí)近平總書記2018年元旦賀詞，“海斗一號”全海深無人潛水器于2020年成功海試最深下潛至10907米，全景相機轉(zhuǎn)臺助力嫦娥五號成功完成我國首次地外天體采樣返回。上述成果都于當(dāng)年入選兩院院士評選的中國十大科技進展新聞。工業(yè)4.0互聯(lián)制造解決方案獲評“世界互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)先科技成果”。

今天的沈陽自動化所已發(fā)展成為具有現(xiàn)代化科研與工作條件、具有一流科學(xué)家和科技隊伍的國立科研機構(gòu)，是機器人學(xué)國家重點實驗室、機器人技術(shù)國家工程研究中心、國家機器人質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心(遼寧)等國家和省部平臺的依托單位，主辦中國科技核心刊物《機器人》和《信息與控制》。研究所擁有博士培養(yǎng)點5個、碩士培養(yǎng)點8個，博士后流動站2個。

沈陽自動化所以國家戰(zhàn)略高技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供技術(shù)基礎(chǔ)為發(fā)展理念，努力建成具有強大自主創(chuàng)新能力和可持續(xù)發(fā)展能力，具有中國特色、國際知名的國立科研機構(gòu)。