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，中國科學院瀋陽自動化研究所在“科技冬奧”重點專項支持下研發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

　　協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年冬殘奧會火炬傳遞活動中，上肢助力外骨骼機器人成功協助火炬手傳遞火炬，彰顯了奧運與科技融合的理念。

　　在火炬傳遞中，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定抓握火炬，點燃下一棒火炬，幫助彭園園實現了雙手操作的夢想。

　　科研人員在上肢助力外骨骼機器人的研製中，突破了人機神經介面技術，創新研製了貼合皮膚的多模態信息採集系統，準確解析受試者意念，實現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，實現了外骨骼擬人化設計，確保手臂具備精細操作、負重操作能力。

　　讓殘疾人生活更美好，是科研人員一直以來的奮鬥目標。此次活動展示的新一代行為輔助機器人系統，為殘疾人像健全人一樣生活、學習帶來了希望。

火炬手彭園園使用上肢助力外骨骼機器人進行火炬傳遞

　　會變身的水下變結構機器人

　　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構機器人完成了精彩的火炬接力。

　　在冰面下，水下變結構機器人遊向下潛而來的水陸兩棲機器人，又穩又準地對接了機器人小夥伴“手”中的火炬。隨後，水下變結構機器人依靠自身高精度的冰下組合導航定位系統，精準地遊至洞口，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傳遞的亮點。

　　水下變結構機器人就是一個會“變身”的機器人，通過本體可變形的設計，它既能高效航行，又能穩定作業。想要快速航行時，機器人就把機械臂與火炬藏在身體裏，外形呈現為優美的流線型，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實現載體上下分離，完成“變身”，再切換到穩定作業模式，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範圍機動和懸停作業，來完成水下火炬傳遞。

　　機器人與機器人之間水下火炬傳遞既是亮點，也是難點。科研團隊突破了複雜流場擾動的水下動態對準、機器人—機械臂釐米級精準作業、冰下高精度定位導引等關鍵技術，保證了水下變結構機器人這一浮動平臺，在野外複雜流場擾動條件下，控制機械臂手持火炬，達到並持續保持在末端釐米級的對接精度，從而順利完成火炬傳遞任務。

“雲雀”飛行機器人

　　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。

　　水陸兩棲機器人採用倣冰壺的造型，當火炬手將兩棲機器人火炬點燃後，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，火焰隨風飄動，在冰雪覆蓋的蓮石湖畔顯得格外飄逸。研發團隊研究了冰面、水下的環境模型，通過多目標優化設計，獲取了兩棲機器人結構參數，完成兩棲機器人總體佈局設計，使其具備了在冰面上低溫、低摩擦環境下的精準導航和全向運動能力，從而實現兩棲機器人從冰面到水下的跨介質火炬傳遞。

　　伴隨機械臂的舞動，兩棲機器人一路旋轉，在冰壺賽道上以優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。兩棲機器人入水後在水面調整位置、姿態，開啟水下火焰模式後，垂直下潛到指定位置，穩定懸停定位，等待與水下變結構機器人的火炬對接。

　　水陸兩棲機器人與水下變結構機器人以浮游在水中的方式進行火炬接力，極易受水流等影響而發生晃動。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。研發團隊全面評估了運動過程中機械手火炬傳遞對機器人整體動力學和穩定性的影響，實現了水中精準定位懸停，為水下火炬接力成功奠定了基礎。

水陸兩棲機器人

　　在空中“接力”的飛行機器人

　　這裡我們要説的主角“雲雀”飛行機器人，它的任務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，並進行冬奧火炬的空中展示。

　　如果將以往大範圍觀測任務比作“快馬加鞭”的話，這對“雲雀”來説就是小尺度範圍內“穿針引線”的精細活兒，對飛行機器人系統提出了新的技術挑戰：強大的飛行控制器是“雲雀”的“大腦”，能夠在近地擾流和機械臂擾動下完成精準穩定的懸停；近紅外視覺系統作為“雲雀”的“眼睛”，能夠準確捕捉到冰面火炬並識別燃燒狀態；搭載的多自由度機械臂相當於“雲雀”的“手臂”，能夠通過“機臂協同”和“手眼協同”完成高精度伺服作業；而艙內的主動熱平衡系統就像“雲雀”的“體溫調節系統”，能夠在超低溫環境下保持艙內器件工作溫度恒定。

水下變結構機器人

　　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境通過、自主定位、自主導航等功能，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：機器人的設計結合了輪式移動平臺和倣人雙臂結構。地面機器人的下半身採用了六輪全地形移動平臺，這種移動平臺可以自適應多種野外地形環境，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，機器人的上半身採用了倣人型結構。機器人的軀幹部分有兩個自由度，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兩個自由度，可快速靈活轉動。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場的3D沉浸感立體畫面。

　　會畫地圖能導航：機器人還配備了機器視覺、慣性導航、鐳射雷達等感測器，可以在線創建機器人行駛區域的環境地圖，還能根據地圖中的自身位置進行自主路徑規劃和導航。

　　可視精準的手術機器人

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

　　實時圖像引導的可視精準手術機器人系統，已經用在了冬奧會等大型體育賽事的醫療保障上。這個手術機器人能夠在微創手術時提供精準的神經外科、脊柱外科輔助手術服務。科研人員突破了多功能運動創傷手術機器人異維多模態醫學圖像融合配準、手術實時可視化、術中導航實時操控等關鍵技術及方法，使手術機器人可從手、眼兩個維度拓展醫生的能力。

　　“延長”醫生的手：科研人員為手術機器人添加了細長器械，以此代替醫生的雙手，從而擴大醫生的操作範圍，還能保證術中器械的相對穩定。通過這種方式，在提高手術精度的同時緩解醫生高強度的體力勞動，從而實現對醫生手的擴展。

　　“明亮”醫生的眼：在手術中進行影像採集，會對人體造成額外射線損傷。科研人員利用光學掃描器取代透視影像設備，在手術中實時掃描手術區域，降低了透視設備對醫生和患者的身體損傷。此外，通過多感測器標定演算法，將解剖結構進行三維醫學影像顯示，為醫生提供“透視眼”，呈現了更清晰形象的人體透視圖，從而擴展醫生的眼。（沈自）