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科技日报:北航师生缘:看海陆空机器人“三箭齐发”-新闻网

作者:admin 来源:未知 更新日期:2019-04-07 浏览次数:

  科技日报:北航师生缘:看海陆空机器人“三箭齐发”-新闻网
科技日报:北航师生缘:看海陆空机器人“三箭齐发”



点击数:加入时间:2005-02-22


科技网2月18日(?S敏 葛磊)
在北京航空航天大学机器人研究所实验室里,不但有能游动的机器鱼,还有能行走的模块化移动机器人,能飞行的空中机器人,能做手术的医疗机器人―――
“挑战杯”一等奖孕育了仿生机器鱼
说到机器人,许多人以为该是方头方脑、有胳膊有腿的人形模样。然而在北京航空航天大学机械学院机器人研究所参观之后,你会发现,机器人的形态可以千差万别,也可以在海陆空的全方位空间自由运动。
在北航机器人研究所所长、长江学者特聘教授王田苗的实验室里,不但有能游动的机器鱼,还有能行走的模块化移动机器人,能飞行的空中机器人,能做手术的医疗机器人等等。在海、陆、空三个平台上,王田苗教授带领他的科研团队,在微小型机器人技术、医疗机器人技术、嵌入式机电控制技术等研究方向致力创新,不懈追求,开展着中国机器人领域的前沿课题研究。
2004年8月,一条难辨真伪、通体黝黑的机器鱼吸引了媒体和公众的目光。在由中国国家博物馆水下考古研究中心主持的郑成功船队沉船遗址探测中,这条名为SPC-Ⅱ型的鱼形机器人洄游于福建东山的海波之下,帮助科研人员对4000平方米的水域进行了摄像考察。这是我国仿生机器鱼的首次应用。这条“机器鱼”体长1.2米,高半米,排水量40千克,能以1.4~1.5米/秒的速度在水下工作2~3小时。考古队负责人认为,该鱼形机器人在水下机动灵活,定位迅速,可以代替潜水员在更深的水域长时间进行观测,从而提高工作效率,承担潜水员可能遇到的各种风险。
这条机器鱼的雏形,是北航机械学院本科生梁建宏的“冯如杯”作品。1999年,他因此获得第6届全国“挑战杯”大学生科技竞赛一等奖。梁建宏的这一兴趣,得到王田苗教授的大力支持,成就了一段默契的师生缘,现在他是王田苗的博士生,机器鱼课题组的骨干成员。该课题组由机电工程、嵌入式控制、流体力学以及材料和制造工艺方面的教师与研究生共10多人组成,专门从事仿生机器鱼推进机理研究和仿生水下机器人平台研制,获得了国防基础科研立项。经过四年多的努力,课题组进行了仿生机器鳗鱼、机器海豚、多机器鱼协调系统和“SPC”系列等七、八种鱼形机器人的研制,“SPC-Ⅱ仿生机器鱼”项目于2004年12月通过了成果鉴定,并拥有多项专利。
王田苗教授说,仿生机器鱼在水下考古、摄影、测绘、养殖、捕捞以及水下小型运载等方面,具有广泛的应用前景。经过上亿年进化的鱼类游动方式,在推进效率、机动灵活性、游动低噪性和可操纵性等方面有着优越的性能。自己在仿生机器鱼研究中,对海豚等性能优越的鱼类的运动机理进行建模分析、流体力学试验,并结合机械学、控制理论、航空原理、材料学等方面的研究和工程实践需要,优化了其外形与结构模式。“SPC-Ⅱ型机器鱼”因此从5个关节改为了2个关节,稳定性反而增强了。他还谈到,多机器鱼协调工作是个复杂的系统,是他目前机器鱼研究的重点内容之一,已获得了较好的进展。
鱼形机器人研究属于微小型机器人技术领域,微小型机器人技术是伴随微机械学、微电子学、信息网络、计算器技术、仿生技术、新材料和新能源等迅猛发展而形成的新兴前沿高技术研究方向。在该领域,王田苗教授带领他的科研团队还开展模块化移动机器人、微小型飞行器和仿生机器蛇等方面研究,并在模块化履带式侦察机器人和微型飞行器自主导航驾驶仪等方面,取得创新性的研究特色和示范成果。
2004年11月初,“飞豹杯”首届中国机器人大赛在西安阎良举行。这是面向全国高校和科研机构的大规模、高水平的空中机器人竞赛。10支参赛代表队在固定翼组展开了激烈角逐,由王田苗教授指导、梁建宏博士领队的北航“巡天”代表队的几位本科生,依靠机器人所微小型技术实验室在微小型系统集成、导航、控制等方面的优势,实现了空中机器人的自主飞行要求。该空中机器人的外形相当于一架超轻型小飞机,装有自主导航驾驶仪,它根据探测到的外界信息和自身的控制机制,自主作出飞行反应,掌握飞行姿态和飞行策略,顺利完成了预定任务,获得固定翼组亚军,显示了北航微小型飞行器的研究实力。
王田苗教授的模块化移动机器人就像搭积木一样有多种组合方式,其中模块化履带式侦察机器人看起来似乎是几个小小的坦克轮子组成的儿童玩具,装有摄像头,能遥控和自主运动,有良好的稳定性、适应性,可以爬坡、上台阶,也很经摔,适宜到危险的环境里进行侦察作业。
医用机器人助九龄童摆脱颅内手术痛苦
如果说,以上这些微小型机器人研究很大程度上还是着眼于应用前景的话,那幺,在医疗机器人领域,王田苗教授和他的科研团队已经创造出了不菲的社会价值和良好的口碑。
1995年5月,在欧共体驻意大利Rizzoli医院仿生力学实验室做博士后研究的王田苗学成归国,任职于北航机器人研究所。在意大利三年,他主要从事医用机器人的开发和研究,并立志要让这一领先技术为祖国的医疗事业服务。
1996年2月,王田苗教授在一次归国人员座谈会上结识了海军总医院的田增民教授。谈到医用机器人的开发研究课题,两人一拍即合,在当时机器人所所长张启先院士的主持下,成立了北航医用机器人攻关小组。王田苗奔波在实验室与手术室之间,在社会上某些不乏怀疑的目光中艰苦攻关,终于与海军总医院神经外科研究中心共同研制成功我国第一台医用机器人系统。
最难忘1997年5月5日,王田苗教授全副手术大夫装束,在海军总医院的镁光灯下操纵着机器人,为一个9岁的小男孩实施了我国首例机器人辅助的脑部肿瘤手术。小患者是肿瘤复发,光光的头皮上赫然留下了前次手术开颅的伤痕。机器臂通过临床立体定向,以一骨钻达到脑内肿瘤位置,用针管吸出积液后推入化疗药物,“短平快”地结束了手术,创伤很小,连缝合都免了,小孩头上敷一块纱布就自己走下手术床,投入了应声扑进来的家长的怀抱。那一刻,王田苗的眼里充满了欣慰与幸福。
随后,北航与海军总医院又合作开发了无框架立体定向神经外科机器人,至今已成功用于临床,治疗病人700多例。2003年,王田苗教授、张玉茹教授再次与海军总院合作,完成了远程神经外科机器人技术的研究,成功地为远离北京的17位病人进行了远程专家遥控脑手术治疗,既节省了治疗经费,也极大地减轻了病人的痛苦。
2004年12月3日,王田苗教授牵头研制的接骨机器人在积水潭医院完成了首次接骨手术,术后这个名为“矫形外科双平面导航技术与机器人系统”的项目通过了专家鉴定。经临床实验,其手术成功率不仅高达百分之百,且比传统人工方法缩短近一半时间,有效提高了手术操作的精度,降低了病人损伤,同时可减少X射线对医生的伤害。
王田苗知道,机器人技术拥有不可估量的应用前景,在焊接、运载、装配等工业领域以及救生、医疗、高风险作业等服务领域,甚至是国防科技领域,都具有无可比拟的独特优势。社会的需要与科技工作者的责任感,促使他在自己钟情的机器人研究中一次又一次开拓前行,不知疲倦地展望着海陆空的广阔世界。在采访中,多项国家部级奖励一等奖、二等奖的荣誉,国务院学位委员会学科评审专家组成员、国家863计划机器人技术主题专家组组长等许多重要头衔,都没有被这位谦和、儒雅的学者提及。他一如既往地感念着导师的培育之恩与学术风骨,一如既往地培养着下一代青年学子,共同专注于机器人研究的辉煌事业。
■原始新闻
二○○四年底,在海军总医院进行了一例特别的脑外科手术,实施手术的过程中增加了两个“新助手”―――美国医用机器人伊索和中国HB外科机器人。伊索可根据手术者语音控制移动手臂,在手术过程中准确的把持器械,替代人员操作。HB外科机器人是由海军总医院和北航共同研制开发,主要用于病变组织的精确定位。在手术过程中,国产机器人首先瞄准病变靶点,然后由美国机器人根据靶点进行射击。据中华医疗器械网

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