北京2022年冬残奥会日前闭幕了。在本届冬奥会和冬残奥会上，闪光出彩的不光是那些拼搏的运动员，还有各种酷炫的高科技。比如，中国科学院沈阳自动化研究所在“科技冬奥”重点专项支持下研发的多种类型机器人就十分吸睛。

两名机器人“火炬手”完成水下传递

　　协助冬残奥火炬手完成接力的上肢助力外骨骼机器人

　　3月4日，在北京2022年冬残奥会火炬传递活动中，上肢助力外骨骼机器人成功协助火炬手传递火炬，彰显了奥运与科技融合的理念。

　　在火炬传递中，火炬手彭园园佩戴上肢助力外骨骼机器人完成接力，举起火炬。传递过程中，她灵活运用外骨骼机器人挥舞致意，使用自身手臂与其流畅自如交替火炬。外骨骼机器人全程稳定抓握火炬，点燃下一棒火炬，帮助彭园园实现了双手操作的梦想。

　　科研人员在上肢助力外骨骼机器人的研制中，突破了人机神经接口技术，创新研制了贴合皮肤的多模态信息采集系统，准确解析受试者意念，实现了残肢与外骨骼机器人间的自然操控；突破了残肢功能再造技术，实现了外骨骼拟人化设计，确保手臂具备精细操作、负重操作能力。

　　让残疾人生活更美好，是科研人员一直以来的奋斗目标。此次活动展示的新一代行为辅助机器人系统，为残疾人像健全人一样生活、学习带来了希望。

火炬手彭园园使用上肢助力外骨骼机器人进行火炬传递

　　会变身的水下变结构机器人

　　2022年2月2日，奥运史上首次由两名机器人“火炬手”完成水下传递！在北京冬奥公园莲石湖下，水陆两栖机器人与水下变结构机器人完成了精彩的火炬接力。

　　在冰面下，水下变结构机器人游向下潜而来的水陆两栖机器人，又稳又准地对接了机器人小伙伴“手”中的火炬。随后，水下变结构机器人依靠自身高精度的冰下组合导航定位系统，精准地游至洞口，如芙蓉出水一般浮出水面，点燃下一棒火炬。机器人的水下接力也成为北京冬奥火炬传递的亮点。

　　水下变结构机器人就是一个会“变身”的机器人，通过本体可变形的设计，它既能高效航行，又能稳定作业。想要快速航行时，机器人就把机械臂与火炬藏在身体里，外形呈现为优美的流线型，这样可以保证高效航行模式下的水动力性能。想要传递火炬时，机器人就利用升降机构实现载体上下分离，完成“变身”，再切换到稳定作业模式，机器人伸出握着火炬的七功能灵巧机械臂，此时的机器人可以小范围机动和悬停作业，来完成水下火炬传递。

　　机器人与机器人之间水下火炬传递既是亮点，也是难点。科研团队突破了复杂流场扰动的水下动态对准、机器人—机械臂厘米级精准作业、冰下高精度定位导引等关键技术，保证了水下变结构机器人这一浮动平台，在野外复杂流场扰动条件下，控制机械臂手持火炬，达到并持续保持在末端厘米级的对接精度，从而顺利完成火炬传递任务。

“云雀”飞行机器人

　　能水陆两栖的机器人

　　在上文提到的两名机器人“火炬手”完成水下传递中，另一个主角就是水陆两栖机器人。

　　水陆两栖机器人采用仿冰壶的造型，当火炬手将两栖机器人火炬点燃后，它开始挥舞手臂，骄傲地向全世界展示这一光荣的时刻。挥舞火炬的同时开始旋转，火焰随风飘动，在冰雪覆盖的莲石湖畔显得格外飘逸。研发团队研究了冰面、水下的环境模型，通过多目标优化设计，获取了两栖机器人结构参数，完成两栖机器人总体布局设计，使其具备了在冰面上低温、低摩擦环境下的精准导航和全向运动能力，从而实现两栖机器人从冰面到水下的跨介质火炬传递。

　　伴随机械臂的舞动，两栖机器人一路旋转，在冰壶赛道上以优美的运动曲线展示科技之美，到达黄色圆垒沿斜面进入冰洞。研发团队通过两栖机器人多运动模式控制，完成不同运动模式的流畅切换。两栖机器人入水后在水面调整位置、姿态，开启水下火焰模式后，垂直下潜到指定位置，稳定悬停定位，等待与水下变结构机器人的火炬对接。

　　水陆两栖机器人与水下变结构机器人以浮游在水中的方式进行火炬接力，极易受水流等影响而发生晃动。因此，两栖机器人不仅要在冰面上滑得好，还要在水下停得稳。研发团队全面评估了运动过程中机械手火炬传递对机器人整体动力学和稳定性的影响，实现了水中精准定位悬停，为水下火炬接力成功奠定了基础。

水陆两栖机器人

　　在空中“接力”的飞行机器人

　　这里我们要说的主角“云雀”飞行机器人，它的任务是在空中通过机械臂与冰面上的水陆两栖机器人完成全程全自主的火炬对接传递，并进行冬奥火炬的空中展示。

　　如果将以往大范围观测任务比作“快马加鞭”的话，这对“云雀”来说就是小尺度范围内“穿针引线”的精细活儿，对飞行机器人系统提出了新的技术挑战：强大的飞行控制器是“云雀”的“大脑”，能够在近地扰流和机械臂扰动下完成精准稳定的悬停；近红外视觉系统作为“云雀”的“眼睛”，能够准确捕捉到冰面火炬并识别燃烧状态；搭载的多自由度机械臂相当于“云雀”的“手臂”，能够通过“机臂协同”和“手眼协同”完成高精度伺服作业；而舱内的主动热平衡系统就像“云雀”的“体温调节系统”，能够在超低温环境下保持舱内器件工作温度恒定。

水下变结构机器人

　　穿山越岭的地面机器人

　　这款地面移动机器人，在冬奥公园展示了多种地形环境通过、自主定位、自主导航等功能，还展示了与火炬手以及两栖机器人的模拟对接，可谓“身怀绝技”。

　　穿山越岭跑得快：机器人的设计结合了轮式移动平台和仿人双臂结构。地面机器人的下半身采用了六轮全地形移动平台，这种移动平台可以自适应多种野外地形环境，无论是沙地、草地、雪地、斜坡、台阶、沟壑都能够如履平地，机器人最大移动速度可以达到14公里/小时。

　　手臂灵活视力好：为了更好地契合奥运人文理念，机器人的上半身采用了仿人型结构。机器人的躯干部分有两个自由度，每个手臂分别有七个自由度，可以做出和人一样的肢体动作。机器人的头部也具有俯仰和回转两个自由度，可快速灵活转动。同时，头部还配有双目立体视觉，操作者可以在远程实时获取现场的3D沉浸感立体画面。

　　会画地图能导航：机器人还配备了机器视觉、惯性导航、激光雷达等传感器，可以在线创建机器人行驶区域的环境地图，还能根据地图中的自身位置进行自主路径规划和导航。

　　可视精准的手术机器人

　　冬奥会等国际大型重要体育赛事的医疗突发事件风险高、运动损伤高发，手术机器人在提高手术效率方面派上了大用场。

　　实时图像引导的可视精准手术机器人系统，已经用在了冬奥会等大型体育赛事的医疗保障上。这个手术机器人能够在微创手术时提供精准的神经外科、脊柱外科辅助手术服务。科研人员突破了多功能运动创伤手术机器人异维多模态医学图像融合配准、手术实时可视化、术中导航实时操控等关键技术及方法，使手术机器人可从手、眼两个维度拓展医生的能力。

　　“延长”医生的手：科研人员为手术机器人添加了细长器械，以此代替医生的双手，从而扩大医生的操作范围，还能保证术中器械的相对稳定。通过这种方式，在提高手术精度的同时缓解医生高强度的体力劳动，从而实现对医生手的扩展。

　　“明亮”医生的眼：在手术中进行影像采集，会对人体造成额外射线损伤。科研人员利用光学扫描仪取代透视影像设备，在手术中实时扫描手术区域，降低了透视设备对医生和患者的身体损伤。此外，通过多传感器标定算法，将解剖结构进行三维医学影像显示，为医生提供“透视眼”，呈现了更清晰形象的人体透视图，从而扩展医生的眼。（沈自）