机器人赶集“挑战杯”赛场：给你便利 刷我存在

时间: 2024-08-08 15:41:34 |   作者: kaiyun体育登录网页入口

　　主手像一个操纵杆，另一端连接了一只从手，从手其实是一根连续体，里面嵌套着夹钳或其他手术器械。

　　在山东大学机械工程学院大四男生刘成祥和同学们的设想中，这根细管从鼻腔深入，一直到达颅底，医生通过操控主手，即可为病人切除颅底肿瘤，病人得以免除开颅手术的痛苦和风险。

　　握住主手向前推，前面仿佛被啥东西挡住去路。在电脑显示器上能够正常的看到，主手前方建模了一个坚硬的球体，推动主手，能清晰地感受到球体的弧度。用力推主手，甚至可以感觉到“球”的硬度。

　　在第十八届“挑战杯”决赛现场的展厅里，有众多炫酷的科技成果，这套主从手设备体积不大，也不太显眼，却科技感十足。

　　在“挑战杯”的赛场上，各式机器人项目“神仙打架”，各行各业都出现了机器人的身影：高难度手术、电力巡护、粮食仓储、应急救援……

　　刘成祥所在的实验室主攻手术机器人方向。在人体自然腔道中，颅底较为复杂。刘成祥认为，如果能做出切除颅底肿瘤的机器人，那么其他自然腔道的问题也就迎刃而解了。

　　颅底肿瘤的传统治疗方案是做开颅手术，手术时需要取下头盖骨。如能使用这个机器人，病人只需在鼻腔做个微创，让“触手”沿着鼻腔进入颅底即可。

　　刘成祥和同学们在实验中发现，人们过去用的大都是单一连续体，有的尺寸小，但是稳定性差，手术中可能会出现不受控制的抖动，给病人带来危害。有的稳定性强，但尺寸过大，无法自由进入狭窄的自然腔道。

　　他们将两种连续体嵌套在一起，构成复合连续体，既能自由进入人体腔道，又能随着主手控制而任意弯曲。

　　除此之外，要进入鼻腔，连续体的直径就不能太大。刘成祥说，嵌套之后，最大处直径5毫米，最小处约2毫米。

　　基于复合连续体，他们还开发出一种新的算法，运算速度比传统算法提高了354倍，这在某种程度上预示着从手可以更快速地到达目标点。

　　这个项目几乎贯穿了他们的大学四年。为了做好这个机器人，几名机械学院的“工科男”还去医院观摩临床手术。

　　复旦大学工程与应用技术研究院的研三女生潘琪琪和同学研发的做心脏手术的机器人，也是异曲同工。

　　传统的心脏外科手术，需要切开胸骨，伤口愈合时间长。而微创手术仅需在胸前开一个小孔，医生控制主手，从手进入胸腔操作。创口小，病人恢复会很快。

　　这台机器人是她和同学们一个零件一个零件亲手组装起来的，最难的部分是传感器。为了让手术开孔更小，他们要一个直径8毫米的传感器，但当时全球最小的传感器直径都有17毫米。没办法，得自己从头做：画设计图、找工厂生产零件、动手组装。

　　潘琪琪在一个放大倍数50倍以上的放大镜下，把24个应变片组装成第一代传感器。拿着这个直径8毫米的传感器，肉眼甚至看不清它的结构。制作这个小小的传感器，花了他们半年多的时间。

　　潘琪琪和记者说，目前成熟的手术机器人大多用在腹腔镜手术，团队在此基础上作了改良。前段时间，他们用这套设备在离体的猪心上了缝合实验。他们请来复旦大学医学院的硕士生操纵主手，花了两个多小时缝合好猪心上那条10多厘米长的口子。中山医院的医生评估了手术结果，认为缝合效果符合临床要求。

　　从事这一研发时，国内还没有心外科手术机器人的专利，潘琪琪希望，自己团队的研究可以填上这块空白。

　　内蒙古机电职业技术学院电气工程系教师张彬知道，本系的学生毕业后，大部分会去变电站做变配电值班员等工作。

　　这份工作很辛苦，不论白天夜里，每隔一两小时需要巡检一次。在变电站巡一圈，少则三四十分钟，多则1个小时。如果在夜里，意味着值班人员几乎没办法休息。

　　变电站地形复杂，机器人有时一定要通过砂石路、鹅卵石，或者上下台阶。而这些，传统的轮式机器人做不到。

　　他们研发的机器人，更确切地说，应该叫“机器狗”。它有四足，可以抬腿跨过障碍物，能爬台阶，在凹凸不平的鹅卵石上行走自如。

　　张彬和记者说，第一代机器狗重点做仿生，它像四足动物一样“走路”。等它走路稳了、能顺利迈过障碍物，张彬带着学生们再在上面搭载传感器。

　　但是难题又来了：传感器很重，放上去之后，机器狗走路就开始歪，这会导致传感器探测不准确，上下楼梯也容易“摔倒”。每增加一项设备，同样的问题就重复出现。

　　学校的实训室全天开放，大三学生钟志勇和记者说，他有空时，常去实训室琢磨这一个项目。用3D打印技术做出各种零件，再考虑怎么安装到机器狗上。

　　张彬说，为了做这个机器狗，学生自己焊电路板、自己组装，大学里学到的CAD、单片机等课程全都串起来了。

　　不知试了多少次，搭载着多种传感器的机器狗终于走得稳了。张彬和学生们给它配了各种“装备”：身上的传感器能探测温度；电量低时，它可以“回家”自主充电；变电站很脆弱，怕鸟筑巢、怕老鼠咬线，他们增加了超声波驱离功能，驱赶鸟类和老鼠；机器狗头部的摄像头还能识别出进入现场的非工作人员。

　　张彬和学生们正在研究第四代机器狗，他们盼望让它未来承担更多工作，为工作人员减负。

　　电子科技大学的研二男生王洁和团队设计了一系列用于粮食仓储的智能机器人，这些设备能极大地减轻工人的作业负担。

　　王洁记得，他大一刚进实验室，老师就带他到粮仓实地参观。他对当时的场景仍然记忆犹新：传送带将粮食运到粮仓，粮面凹凸不平；当时正值夏日，工人戴着口罩，用力把粮仓里的粮食推平，没几分钟就热得大汗淋漓。不仅如此，传送带动作粗暴，不少粮食颗粒会被撞碎。

　　入仓机器人连接在传送带上，可以自主调节出粮的速度、角度，由此减少粮食破损，粮面平整度高；钎样机器人的钎样深度可达30米，比以往10余米的钎样深度多了一倍，它还能建立三维坐标系，自动显示钎样位置、时间；施药机器人则能把药剂施到50厘米以下，改善防虫害效果。

　　入仓机器人投入测试3年后，他们发现，跟同类型、同环节的粮仓相比，应用了智能机器人的粮仓能节约两三百吨粮食。他们把单个机器人的成本控制在5万元以内，希望将来把它们应用到更多粮仓。

　　它是大桥承重的中坚力量，但是随着使用年数的限制增加，水泥也许会出现裂纹、掉块、露出钢筋，危及桥梁安全。

　　但是要进入箱梁里面检测，工人得冒着呼啸的江风、沿着垂直的梯子爬进去，很危险。而且有的箱梁内部高达数十米，工人得搬着梯子爬上去检查，效率低，又危险，肉眼也无法看清楚；有的箱梁极为狭窄，人只能匍匐进去；有些箱梁比较封闭，气流不通畅，有几率存在氧气浓度过低的问题，人如果贸然进去，也很危险。

　　同济大学大二男生崔屿杰和同学们设计了一款机器人，专门为大桥的箱梁“查体”。在他们看来，中空的箱梁就像人的胃一样，因此给这款机器人起了个形象的名字：桥梁胃镜机器人。

　　这支团队给机器人配备了高精度摄像机，用以探测箱梁顶板、侧壁和底面的裂缝，最小可以探测2毫米的裂缝。机器人采集到照片后，传回后台，系统通过图像识别技术批量化扫描照片、寻找裂缝。

　　厚厚的水泥板屏蔽了信号，GPS、北斗等传统定位系统无法应用。在这个巨大的“盲盒”里，只能靠机器人自己来定位。

　　崔屿杰和记者说，他们采用了几种方法：机器人能用激光，像眼睛一样去看；或用轮式里程计，像脚一样丈量距离；还可以在箱梁四角搭建小基站，帮助机器人定位。这几种测量方式各有利弊，研发团队将它们动态结合起来，找到更可信的数据。

　　崔屿杰说，这款机器人目前实现了全流程自动化，来到陌生场景，它可以自动定位、规划路径。

　　对于检测的桥梁，这支团队还构建了相应的数字孪生桥梁，并将在实际大桥上检测到的病害标注在孪生桥梁上，呈现得更为清晰直观。

　　不过，目前还需要工人爬进箱梁，把机器人放进去。为此，小组成员肖子恒做了一些设计，机器人在非工作状态下可以折叠，变形成背包，由工人背进箱梁里。

　　他们考虑，未来可以改用无人机扫描，或是拓展为机器人集群，这样做才能够更高效地达成目标。