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機(jī)甲鯨鯊”在海洋館游動、擺尾，“機(jī)器箱”成為潛水愛好者的攝影伴侶，仿生水下機(jī)器人正以各式各樣的形態(tài)走人人類的生活。我國仿生水下機(jī)器人研究基本功扎實，創(chuàng)新氛圍濃厚，應(yīng)用前景光明。其中，北京大學(xué)智能仿生設(shè)計實驗室是國內(nèi)最早進(jìn)人該領(lǐng)域的科研力量之一。
適合在人類生活空間工作的，是模仿人類外觀和行為的人形機(jī)器人。同樣地，真正適合在水下作業(yè)的，是各種各樣像魚一樣的生物。北京大學(xué)工學(xué)院教授、智能仿生設(shè)計實驗室主任謝廣明曾在格致論道講壇闡述道，機(jī)器人的重點是機(jī)器，不是長得像人一樣才叫做機(jī)器人，機(jī)器魚也是一類機(jī)器人。魚類經(jīng)過億萬年進(jìn)化，它們的游動效率遠(yuǎn)高于人類生產(chǎn)的螺旋槳，同時具備較高的機(jī)動性、隱蔽性。研究機(jī)器魚，對人類探海能力的提升具有重大意義。
不僅“形似”，更要“神似”
回顧我國仿生水下機(jī)器人學(xué)科的“前世今生”不難發(fā)現(xiàn)，從前仿生水下機(jī)器人的研究方向主要集中在運(yùn)動仿生的角度，旨在簡單復(fù)現(xiàn)水下生物的運(yùn)動模式。隨著研究的不斷深入，如今仿生水下機(jī)器人的研究焦點已躍升至涵蓋感知仿生、通信仿生、抓取仿生及集群行為仿生等多個維度的廣泛探索。謝廣明總結(jié)道，學(xué)者觀察水下生物的視角，已經(jīng)從單純的運(yùn)動模仿，提升至對水下生物生存智慧及適應(yīng)復(fù)雜多變水下環(huán)境機(jī)制的深刻洞察。這一系列轉(zhuǎn)變標(biāo)志著人類對魚類仿生學(xué)研究的理解和實踐邁人了更為全面且深人的階段。
提升游動效率的兩大技術(shù)路徑
如何顯著提升仿生水下機(jī)器人的游動效率，一直是謝廣明潛心攻克的難題，他將研究方向劃分為兩個部分。一方面，要研究如何對肌肉運(yùn)動模式進(jìn)行精準(zhǔn)捕捉與再現(xiàn)。例如，以黃鰭金槍魚的肌肉運(yùn)動模式為設(shè)計靈感，吉林大學(xué)團(tuán)隊研制液壓柔性驅(qū)動器，可以使機(jī)器魚展現(xiàn)出優(yōu)秀的游動速度和能效比。另一方面，要從魚類減少阻力的有效策略人手，思考如何巧妙地利用水流的力量。例如，倫敦大學(xué)研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)魚鱗陣列會在魚類表面產(chǎn)生條紋狀基流，可以降低皮膚摩擦阻力，為機(jī)器魚的研發(fā)提供重要線索。
內(nèi)，通過優(yōu)化設(shè)計能挖掘提升續(xù)航潛力的空間。
生物學(xué)家研究指出，側(cè)線系統(tǒng)對于魚類的水下生存至關(guān)重要，它不僅能讓魚類感知到身體周遭的水流動態(tài)變化，還能根據(jù)水流的變化而敏銳地感知到障礙物、獵物、天敵和同伴的存在。謝廣明課題組是國內(nèi)較早展開仿魚類側(cè)線感知研究的團(tuán)隊，早在2020年，團(tuán)隊就提出了一種基于人工側(cè)線系統(tǒng)的機(jī)器魚自主軌跡評估方法，研究結(jié)果發(fā)布于機(jī)器人研究領(lǐng)域的頂級期刊。
仿側(cè)線系統(tǒng)提升機(jī)器魚感知能力
其一，探索仿生驅(qū)動新機(jī)制，旨在超越傳統(tǒng)的連桿機(jī)構(gòu)與繩驅(qū)機(jī)構(gòu)等設(shè)計模式，開辟能量轉(zhuǎn)換效率更為卓越的技術(shù)新路徑。其二，深化水下減阻技術(shù)的研發(fā)，涉及對機(jī)器人外觀形態(tài)的精心設(shè)計以及表面材質(zhì)的優(yōu)選，以期實現(xiàn)水流阻力的最小化。其三，深入研究并模擬自然界生物的續(xù)航策略，例如魚類的間歇性游動模式。謝廣明團(tuán)隊正致力于將此機(jī)制融人機(jī)器魚的設(shè)計中，實現(xiàn)能源的有效節(jié)約，進(jìn)而延長機(jī)器魚在水下的自主游動時間。
集群行為研究取得扎實進(jìn)展
以原始設(shè)計抵達(dá)續(xù)航極點
十年間，學(xué)者在模仿魚群行為的仿生水下機(jī)器人集群方向取得了不少突出的研究成果。謝廣明分享道，哈佛大學(xué)科研團(tuán)隊通過精密實驗成功演示了仿生機(jī)器魚在三維空間內(nèi)的集群游動行為，這項研究進(jìn)展令人印象深刻。這些機(jī)器魚設(shè)計巧妙，背部與腹部都裝備了LED光源，并內(nèi)置模擬魚眼的雙目視覺系統(tǒng)，能夠賦予機(jī)器魚全方位 360° 的視野能力。研究團(tuán)隊?wèi){
電池性能的提升將直接延長機(jī)器人的作業(yè)時長。在現(xiàn)有能源供給技術(shù)的框架
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十年醫(yī)工突圍：康復(fù)外骨骼重塑他們的人生
■文/劉京運(yùn)
引言
僅需百元租賃費，泰山游客就可以穿戴上“機(jī)器腿”，攀登泰山健步如飛。其實，這類“登山神器”屬于增強(qiáng)型外骨骼機(jī)器人，而外骨骼機(jī)器人并非第一次闖入大眾視野。與其同源的康復(fù)型外骨骼機(jī)器人常被用于幫助截癱、偏癱、腦癱患者恢復(fù)部分運(yùn)動能力，實現(xiàn)“康復(fù)一人，幸福全家”的愿景。
與人平視時，講話的感覺是不一樣的。”已經(jīng)使用外骨骼機(jī)器人十年之久的林寒這樣說道。林寒在2013年意外摔傷，下肢喪失行動能力，兩年后，他到四川省八一康復(fù)中心作為首批穿戴試驗員，協(xié)助程洪教授帶領(lǐng)的電子科技大學(xué)機(jī)器人研究中心組，參與到外骨骼機(jī)器人產(chǎn)品的實驗和開發(fā)項目中。如今，他已經(jīng)堅持每天使用外骨骼機(jī)器人訓(xùn)練行走長達(dá)十年，正在逐漸恢復(fù)下肢知覺和力量，已經(jīng)能夠自主駕駛車輛上下班，有了自己的家庭和生活。
在這十年間，林寒見證了電子科技大學(xué)團(tuán)隊外骨骼機(jī)器人產(chǎn)品的七代變遷和數(shù)不清次數(shù)的性能提升改造。2023年，電子科技大學(xué)外骨骼機(jī)器人團(tuán)隊正式成立布法羅機(jī)器人科技（成都）有限公司（以下簡稱“布法羅”）。布法羅創(chuàng)始人兼首席技術(shù)專家程洪教授曾解釋過公司名稱的由來：“布法羅，BUFFALO，直譯是‘水?！鰴C(jī)器人，‘仿生’就是最高級別的境界，另一方面，水牛的意象與四川的農(nóng)耕文化息息相關(guān)，我們的名字、我們的愿景與這片土地緊密相連?！?/p>
布法羅營銷中心華北區(qū)負(fù)責(zé)人祝霞回憶道，團(tuán)隊選擇康復(fù)型外骨骼機(jī)器人作為研究方向，是因為 ^{4}5*12^{3} ”汶川大地震后出現(xiàn)大批需要接受康復(fù)訓(xùn)練的殘障人士。當(dāng)時國外已經(jīng)出現(xiàn)了用于康復(fù)治療的外骨骼機(jī)器人，但動輒幾十萬美元的價格讓患者望而卻步。2009年底，從海外深造歸來，剛剛加人電子科技大學(xué)的程洪注意到了這一需求，下決心帶領(lǐng)團(tuán)隊從零開始，研發(fā)一款能夠幫助截癱患者重拾行動能力的國產(chǎn)外骨骼機(jī)器人。
學(xué)科體系日趨完善
外骨骼康復(fù)機(jī)器人的選代不僅依賴康復(fù)醫(yī)學(xué)的演進(jìn)，還難在多個交叉學(xué)科的同時掌握。志愿者每指出一處產(chǎn)品缺陷或提出新的需求點，就可能意味著一門新的學(xué)科被牽扯到康復(fù)型外骨骼機(jī)器人的迭代方案中。
在機(jī)械工程方面，巧妙的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計可以確保外骨骼的強(qiáng)度、穩(wěn)定性，使用輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐用的材料能夠提升患者穿戴的舒適感；在電子工程領(lǐng)域，力傳感器、加速度計、陀螺儀等多種傳感器的集成，可實時監(jiān)測患者的運(yùn)動狀態(tài)和外部環(huán)境，而可靠的驅(qū)動技術(shù)則能提供充足動力和精確的運(yùn)動控制；在計算機(jī)科學(xué)與人工智能范疇，先進(jìn)的控制算法使機(jī)器人可以依據(jù)患者運(yùn)動意圖和實時數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整姿態(tài)，個性化輔助康復(fù)，同時借助人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)分析康復(fù)數(shù)據(jù)以優(yōu)化訓(xùn)練方案；在生物力學(xué)與人體工程學(xué)方面，對人體下肢運(yùn)動機(jī)制和步態(tài)周期的研究，可用于設(shè)計符合生理結(jié)構(gòu)的外骨骼，實現(xiàn)自然舒適輔助。此外，還需根據(jù)患者的康復(fù)規(guī)律，設(shè)計有效的訓(xùn)練模式，并通過與醫(yī)療機(jī)構(gòu)合作，開展臨床試驗，評估其有效性和安全性。
交叉學(xué)科研究日益透徹，康復(fù)型外骨骼機(jī)器人的適用人群從截癱患者逐漸擴(kuò)展到腦損傷患者，例如偏癱、腦癱、腦外傷等，應(yīng)用病癥已經(jīng)拓展到骨科術(shù)后康復(fù)、意識障礙患者的康復(fù)，甚至心衰引起的下肢功能障礙。祝霞介紹道，目前各種原因?qū)е碌南轮δ苷系K幾乎都需要使用外骨骼康復(fù)機(jī)器人，尤其對于偏癱患者，機(jī)器人可以幫助他們有效增加肌肉力量，改善偏癱步態(tài)。
向有效、安全、易用迭代
十年前，許多人認(rèn)為外骨骼機(jī)器人沒有長期利用價值，因為脫離了機(jī)器人的輔助，身體情況得不到任何改善。其實不然，神經(jīng)具有可塑性，通過外部器械帶動穿戴者進(jìn)行科學(xué)、高效、準(zhǔn)確的步行康復(fù)訓(xùn)練，能夠刺激神經(jīng)系統(tǒng)重塑，提升下肢自主行走能力，加速康復(fù)進(jìn)程。
以前，康復(fù)型外骨骼機(jī)器人的功能，局限于帶動患者做被動的康復(fù)訓(xùn)練，現(xiàn)在的機(jī)器人設(shè)計了評估功能，訓(xùn)練模式擴(kuò)展到主動模式、主被動模式，增加了單關(guān)節(jié)訓(xùn)練的等速、等張、等長模式，也增加了包括單抬在內(nèi)的腿訓(xùn)練模式，可以幫助穿戴者做關(guān)節(jié)固定角度的牽伸訓(xùn)練，完成多模態(tài)下的運(yùn)動降張?；凇吧窠?jīng)可塑性”原理，機(jī)器人每增添一項細(xì)分功能，都能幫助患者在不同的康復(fù)周期制定更優(yōu)的訓(xùn)練內(nèi)容，讓患者投人的時間和精力獲得更大收益。
穿戴的安全性是康復(fù)型外骨骼機(jī)器人設(shè)計的第一要義。近十年，我國的傳感器
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劉今越：建筑機(jī)器人的研發(fā)應(yīng)由企業(yè)主導(dǎo)
■文/劉政鑫
引言
在過去十年，我國建筑機(jī)器人產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了從技術(shù)突破到生態(tài)重塑的深刻變革。市場結(jié)構(gòu)逐漸優(yōu)化，創(chuàng)新鏈與產(chǎn)業(yè)鏈的深度融合推動建筑機(jī)器人行業(yè)的高速發(fā)展。河北工業(yè)大學(xué)劉今越教授表示，建筑機(jī)器人的研發(fā)應(yīng)由企業(yè)主導(dǎo)，深度適配場景，唯有如此才能滿足建筑行業(yè)的高標(biāo)準(zhǔn)與快節(jié)奏發(fā)展需求。
面業(yè)人力瓶頸的關(guān)鍵。建筑機(jī)器人集群不僅能夠?qū)崿F(xiàn)施工效率的指數(shù)級躍升與工程品質(zhì)的毫米級管控，更展現(xiàn)出了降低全周期運(yùn)營成本、優(yōu)化資源集約利用、構(gòu)建綠色建造體系等多維價值。
過去十年，建筑機(jī)器人技術(shù)從實驗室概念到工程化落地，實現(xiàn)跨越式發(fā)展。新型城鎮(zhèn)化與鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的協(xié)同推進(jìn)，為我國建筑機(jī)器人領(lǐng)域注人強(qiáng)勁發(fā)展動能。國家出臺《“十四五”建筑業(yè)發(fā)展規(guī)劃》、2023年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要，廣東省率先將機(jī)器人施工時長納人工程驗收指標(biāo)，深圳試點“BIM ^+ 機(jī)器人”全流程協(xié)同系統(tǒng)…··我國建筑機(jī)器人駛?cè)税l(fā)展快車道。
非標(biāo)化場景是發(fā)展瓶頸
建筑機(jī)器人按全生命周期發(fā)展過程進(jìn)行分類，主要涵蓋設(shè)計、建造、運(yùn)維、破拆四大核心環(huán)節(jié)。在建筑數(shù)字化設(shè)計階段，對施工圖紙進(jìn)行二維與三維模型的智能轉(zhuǎn)換，融合AI技術(shù)進(jìn)行方案優(yōu)化。施工建造領(lǐng)域則聚焦實體機(jī)器人應(yīng)用，包括砌筑、整平、焊接、噴涂等環(huán)節(jié)，典型案例包括“天蟬”建筑機(jī)器人、博智林系列機(jī)器人等。運(yùn)維階段主要部署檢測、維護(hù)類機(jī)器人，如幕墻清潔機(jī)器人、物料運(yùn)輸機(jī)器人等。建筑生命終結(jié)階段，應(yīng)用破拆機(jī)器人執(zhí)行精準(zhǔn)拆除、物料分掠及資源回收等任務(wù)。
當(dāng)前，建筑機(jī)器人發(fā)展速度受限的核心原因，在于施工場景的動態(tài)性、非標(biāo)化，以及復(fù)雜建模的高難度。建筑施工領(lǐng)域雖已建立起相對成熟的規(guī)范體系，但聚焦建筑機(jī)器人領(lǐng)域，國標(biāo)、行標(biāo)、團(tuán)標(biāo)等標(biāo)準(zhǔn)體系仍存在顯著缺位。《建筑機(jī)器人通用技術(shù)條件》《建筑機(jī)器人安全標(biāo)準(zhǔn)》等現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)呈現(xiàn)碎片化特征，難以形成全面有效約束。
建筑行業(yè)對個性化設(shè)計的高度追求與機(jī)器人技術(shù)所需的標(biāo)準(zhǔn)化基因形成結(jié)構(gòu)性矛盾?，F(xiàn)階段的建筑多為異形結(jié)構(gòu)，這與機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)化操作流程難以匹配，導(dǎo)致其在復(fù)雜場景下的適應(yīng)性不足。非標(biāo)化場景的多樣性與機(jī)器人操作的剛性要求形成矛盾，成為制約其廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。
破解建模難題
與掃地機(jī)器人僅需平面地圖導(dǎo)航不同，建筑機(jī)器人需處理多維空間信息，工況實時更新，因此機(jī)器人建模也需要實時更新，場景建模成為建筑機(jī)器人應(yīng)用部署階段需要解決的核心難題。
河北工業(yè)大學(xué)劉今越教授表示，建筑機(jī)器人進(jìn)行施工，需要由不同工種的建筑機(jī)器人按照工序輪替協(xié)同作業(yè)，這種動態(tài)協(xié)作模式與工業(yè)場景存在本質(zhì)差異，工業(yè)機(jī)器人僅需固定于工位對移動的物料進(jìn)行加工，而建筑機(jī)器人則需要環(huán)繞靜態(tài)建筑物移動作業(yè)，這種空間位移特性產(chǎn)生多重技術(shù)難題，移動定位精度波動、多機(jī)協(xié)同定位偏差、施工誤差鏈?zhǔn)絺鲗?dǎo)等。
當(dāng)前，建筑機(jī)器人正在突破的技術(shù)路
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探索海洋：八大創(chuàng)新應(yīng)用場景 拓展深海探索新實踐
■文/王莉莉
引言
作為深海探測領(lǐng)域的尖端技術(shù)裝備，水下機(jī)器人在深?？碧健⒑Ｑ竽翀龅葢?yīng)用中發(fā)揮戰(zhàn)略支撐作用。隨著海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的推進(jìn)，我國水下機(jī)器人產(chǎn)業(yè)迎來爆發(fā)式發(fā)展，以“探索海洋”為代表的我國自主化水下機(jī)器人企業(yè)正聚焦應(yīng)用場景，拓寬探索邊界，破浪而出。
2?？萍贾械年P(guān)鍵領(lǐng)域，深海探測技術(shù)的發(fā)展亦十分重要。作為應(yīng)用于深海探測的戰(zhàn)略裝備，水下機(jī)器人、水下無人機(jī)等高精尖技術(shù)與產(chǎn)品對深海運(yùn)載與作業(yè)至關(guān)重要。深度開發(fā)海洋資源，發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，將是新時代下促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的重要機(jī)遇。
大連探索海洋科技有限公司（以下簡稱“探索海洋”）成立于2019年，從事國內(nèi)外智能海洋裝備與研發(fā)，目前已經(jīng)開發(fā)了多個系列的水下機(jī)器人、水下推進(jìn)器、聲吶、水下機(jī)械臂等，并為意大利、越南、新加坡等多個國家和地區(qū)的客戶提供服務(wù)。
需求井噴開拓萬億藍(lán)海
作為海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的核心支撐領(lǐng)域，水下機(jī)器人技術(shù)展現(xiàn)空前的戰(zhàn)略價值。從智能巡航，到應(yīng)急探摸；從水下破拆，到深海建模一一水下機(jī)器人憑借其全天侯、全海深作業(yè)優(yōu)勢，不僅將傳統(tǒng)潛水作業(yè)效率提升，運(yùn)營成本降低，更能將人員直接暴露于高壓、低溫、低可見度環(huán)境的風(fēng)險大幅降低。無論是深海油氣田開發(fā)、海上風(fēng)電建設(shè)，還是深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖網(wǎng)箱維護(hù)和深海采礦作業(yè)，若缺乏具備自主感知、自主決策、自主作業(yè)能力的智能水下機(jī)器人裝備體系，相關(guān)產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；l(fā)展將被制約。
在國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)向好的宏觀背景下，海洋經(jīng)濟(jì)作為新質(zhì)生產(chǎn)力的重要載體，迎來爆發(fā)式增長窗口。水下機(jī)器人技術(shù)不僅關(guān)乎海洋資源開發(fā)效率，更在海底地質(zhì)勘探精度提升、海洋生態(tài)環(huán)境長效監(jiān)測等方面，為我國海洋科研和深海作業(yè)帶來了革命性的進(jìn)步，推動海洋經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級與海洋文明建設(shè)。海底管線巡檢、海洋牧場監(jiān)測等新需求并噴式涌現(xiàn)，為水下機(jī)器人產(chǎn)業(yè)開辟出萬億級市場藍(lán)海。當(dāng)前，水下機(jī)器人技術(shù)已深度滲透到海洋科考中的熱液噴口采樣、智慧漁業(yè)中的魚群生物量評估等二十余個細(xì)分領(lǐng)域，將海底資源勘探誤差從米級壓縮至厘米級，使海洋環(huán)境監(jiān)測頻率由季度級提升至實時級。
水下機(jī)器人領(lǐng)域的跨越式發(fā)展，深度融合了光纖陀螺傳感器技術(shù)、深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法與海洋環(huán)境大數(shù)據(jù)分析等尖端科技。為應(yīng)對復(fù)雜多變的水下作業(yè)環(huán)境，水下機(jī)器人技術(shù)仍有許多技術(shù)難題需要突破，包括提升水下機(jī)器人自主導(dǎo)航精度、強(qiáng)化復(fù)雜海洋環(huán)境適應(yīng)性、突破數(shù)據(jù)傳輸效率，并增強(qiáng)其抗干擾能力。依托國內(nèi)完整的產(chǎn)業(yè)鏈配套與持續(xù)強(qiáng)化的研發(fā)投人，水下機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)的工程化轉(zhuǎn)化正加速推進(jìn)。
核心技術(shù)構(gòu)建護(hù)城河
全球水下機(jī)器人市場蘊(yùn)藏著萬億級產(chǎn)業(yè)潛力，但受限于市場培育周期及技術(shù)推廣壁壘，當(dāng)前實際發(fā)展規(guī)模與理論預(yù)期尚存顯著差距。這一藍(lán)海領(lǐng)域的技術(shù)轉(zhuǎn)化與商業(yè)應(yīng)用，仍需突破多重產(chǎn)業(yè)瓶頸。在海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略驅(qū)動下，以我國探索海洋為代表的科技企業(yè)持續(xù)加碼研發(fā)投入。
目前，探索海洋公司已成功研制ROV（纜控水下機(jī)器人）、AUV（自主式水下航行器）等系列化產(chǎn)品矩陣，開發(fā)水上無人艇等復(fù)合型作業(yè)平臺。在核心部件領(lǐng)域，突破水下多自由度機(jī)械臂、矢量推進(jìn)系統(tǒng)、多波束聲吶陣列等關(guān)鍵技術(shù)的工程化應(yīng)用。
標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品是探索海洋的一大優(yōu)勢特征。ROV具備卓越的外部擴(kuò)展性能，可靈活搭載多模態(tài)傳感系統(tǒng)、高精度檢測設(shè)備及多功能機(jī)械手作業(yè)模塊。在ROV的基礎(chǔ)上，通過搭載傳感器、高清攝像頭、LED燈等配件，進(jìn)一步提升了ROV的操作靈活性和數(shù)據(jù)收集能力。此外，探索海洋設(shè)計了Alpha系列和Bravo系列兩款水下機(jī)械臂，搭配豐富的末端執(zhí)行器，為操作員提供了在不同任務(wù)之間迅速切換的可能性。利用這些末端執(zhí)行器，水下機(jī)械臂進(jìn)行水下打撈、取樣、切割等多種任務(wù)，滿足應(yīng)用需求。
為適應(yīng)場景的實際需求，探索海洋根據(jù)不同的作業(yè)任務(wù)，設(shè)計實現(xiàn)了包括海參捕撈機(jī)器人、海洋牧場機(jī)器人在內(nèi)的海洋經(jīng)濟(jì)養(yǎng)殖專用機(jī)器人，包括橋梁檢測機(jī)器人、水質(zhì)檢測機(jī)器人、水下三維建模機(jī)器人在內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)專用機(jī)器人，以及打撈機(jī)器人、水下清理機(jī)器人、水下搜救機(jī)器人等在內(nèi)的應(yīng)急救援專用機(jī)器人。
作為行業(yè)先鋒，探索海洋持續(xù)深化海洋探索實踐，通過整合智能感知系統(tǒng)與仿生驅(qū)動技術(shù)，在水下機(jī)器人領(lǐng)域開拓出深海資源勘探、海底管線巡檢、生態(tài)監(jiān)測預(yù)警等八大創(chuàng)新應(yīng)用場景。
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匡紹龍：手術(shù)機(jī)器人發(fā)展呈現(xiàn)四大趨勢
引言
手術(shù)機(jī)器人的發(fā)展為醫(yī)療領(lǐng)域帶來革命性變革和深遠(yuǎn)影響。相較于傳統(tǒng)手術(shù)，機(jī)器人輔助手術(shù)展現(xiàn)出的顯著優(yōu)勢已成為推動醫(yī)療手術(shù)發(fā)展的重要動力。深圳技術(shù)大學(xué)教授匡紹龍認(rèn)為，未來手術(shù)機(jī)器人將向四個方向發(fā)展，即精準(zhǔn)化和智能化、專科化和工具化、多適應(yīng)癥、微小化。
我手術(shù)機(jī)器人作為高端醫(yī)療設(shè)備的典范，正成為推動精準(zhǔn)醫(yī)療和智慧醫(yī)院建設(shè)的關(guān)鍵力量。
腹腔鏡手術(shù)、骨科手術(shù)等傳統(tǒng)手術(shù)對醫(yī)生的技能和體能要求極高，相比之下，機(jī)器人輔助手術(shù)展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，已成為推動醫(yī)療手術(shù)行業(yè)發(fā)展的重要動力。借助機(jī)器人提供的增強(qiáng)型可視化、操作靈活性和精確控制，臨床效果得到了顯著提升。術(shù)后并發(fā)癥的減少以及住院時間的縮短，進(jìn)一步鞏固了市場對這項技術(shù)的青睞。
技術(shù)突破是關(guān)鍵
手術(shù)機(jī)器人是多學(xué)科交叉融合的產(chǎn)物，集醫(yī)學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、控制工程等多個領(lǐng)域的技術(shù)于一體。隨著AI、5G等前沿技術(shù)的融人，手術(shù)機(jī)器人的性能實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。
更微創(chuàng)的手術(shù)有利于減少大創(chuàng)口給病人帶來的痛苦、加快術(shù)后恢復(fù)速度，這是促使手術(shù)機(jī)器人出現(xiàn)的重要原因。同時，機(jī)器人能在需要精細(xì)操作的手術(shù)場景中發(fā)揮重要作用，已在普外科、神經(jīng)外科、泌尿外科、骨科、婦科等多個領(lǐng)域得到應(yīng)用。目前，手術(shù)機(jī)器人主要包括，神外手術(shù)機(jī)器人、骨科手術(shù)機(jī)器人、腔鏡手術(shù)機(jī)器人、經(jīng)自然腔道手術(shù)機(jī)器人、血管介人手術(shù)機(jī)器人和經(jīng)皮穿刺手術(shù)機(jī)器人。
深圳技術(shù)大學(xué)教授匡紹龍表示，手術(shù)機(jī)器人、AI、大模型、5G等技術(shù)的發(fā)展對醫(yī)療行業(yè)產(chǎn)生了變革性的影響，“對于醫(yī)生而言，傳統(tǒng)開放手術(shù)不僅對他們的技能和體能要求都非常高，對他們的身體也有一定的損傷，在胃鏡手術(shù)中，醫(yī)生需要長時間站立操作；骨科、穿刺等手術(shù)中，醫(yī)生則有暴露在術(shù)中CT中的風(fēng)險”，匡紹龍表示，應(yīng)用手術(shù)機(jī)器人，不僅解決了醫(yī)生的體能消耗，降低醫(yī)生的術(shù)中風(fēng)險，微創(chuàng)的手術(shù)方式還減少了對病人的創(chuàng)傷，加快了出院速度；特別是遠(yuǎn)程手術(shù)，顯著提升了基層醫(yī)院的手術(shù)技術(shù)水平。
國產(chǎn)手術(shù)機(jī)器人作為我國自主研發(fā)的技術(shù)代表之一，已經(jīng)實現(xiàn)了多項技術(shù)突破，包括高精度影像引導(dǎo)技術(shù)、多自由度機(jī)械臂控制技術(shù)，以及結(jié)合人工智能的實時手術(shù)數(shù)據(jù)分析。特別是在遠(yuǎn)程手術(shù)領(lǐng)域，通過5G網(wǎng)絡(luò)支持，手術(shù)機(jī)器人大幅提升了醫(yī)療資源的可及性，實現(xiàn)了跨越數(shù)千公里的精密操作，為偏遠(yuǎn)地區(qū)和資源匱乏地區(qū)的患者提供了優(yōu)質(zhì)的醫(yī)療資源。
理解需求是核心
匡紹龍介紹，我國手術(shù)機(jī)器人發(fā)展的早期，成果主要集中在高校，很多市場化的產(chǎn)品都源自成果轉(zhuǎn)化，骨科領(lǐng)域成果主要集中在北航，轉(zhuǎn)化了包括天智航、鑄正、羅森博特等，腔鏡類則分布較廣，包括哈工大轉(zhuǎn)化的思哲睿、天大轉(zhuǎn)化的威高、上海交大的術(shù)銳等。
隨著技術(shù)的發(fā)展與普及，逐步出現(xiàn)了以手術(shù)機(jī)器人為核心進(jìn)行的如校企聯(lián)動、手術(shù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)集群模式等發(fā)展機(jī)制，“像中關(guān)村智友研究院、蘇州協(xié)同創(chuàng)新醫(yī)用機(jī)器人研究院、北京市醫(yī)療機(jī)器人產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心這樣由地方共建的手術(shù)機(jī)器人平臺，也為產(chǎn)業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)了力量?！笨锝B龍介紹。
當(dāng)前，手術(shù)機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個科室。匡紹龍表示，手術(shù)機(jī)器人在研發(fā)過程中遇到的第一大挑戰(zhàn)就是醫(yī)工結(jié)合?？锝B龍指出，影響手術(shù)機(jī)器人研發(fā)迭代的主要原因有N個，首先每個醫(yī)生都有自己的手術(shù)特色，所以對手術(shù)機(jī)器人就提出了很多個性化的要求，這就造成了設(shè)計上的瓶頸?？锝B龍以骨科手術(shù)機(jī)器人為例介紹，以工科視角來看，把骨頭當(dāng)作剛體進(jìn)行處
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十年磨一劍，服務(wù)機(jī)器人重塑生活
■文/劉政鑫
引言
當(dāng)?shù)谝豢|晨光穿透智能窗簾，咖啡機(jī)器人已經(jīng)根據(jù)你的口味偏好調(diào)制好了一杯個性化的飲品，而送餐無人機(jī)正在穿越城市天際線，將美味的早餐準(zhǔn)時送達(dá)你的門前。過去十年，在技術(shù)創(chuàng)新的驅(qū)動下，服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)了質(zhì)的突破，這些場景不再是科幻小說中的想象，而是我們當(dāng)下生活的真實寫照。
十 年前，服務(wù)機(jī)器人的概念尚未被廣大消費者和商家所接受，市場滲透率極低。當(dāng)時，機(jī)器人的智能化程度有限，更多依賴于機(jī)械執(zhí)行而非智能決策。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和消費者需求的日益增長，家庭與商用服務(wù)機(jī)器人開始迎來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。
如今，深度學(xué)習(xí)技術(shù)得到廣泛運(yùn)用，機(jī)器人實現(xiàn)了自我優(yōu)化和功能提升，能夠高效完成一系列復(fù)雜多樣的任務(wù)，成為人們生活中不可或缺的伙伴和助手。人機(jī)共生的理念深入人心，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)正在經(jīng)歷質(zhì)的飛躍，朝著高質(zhì)量發(fā)展的新階段邁進(jìn)。
從機(jī)械執(zhí)行跨越到智能感知
十年前，服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)尚處于技術(shù)積累階段。家庭清潔設(shè)備普遍采用隨機(jī)碰撞算法，路徑規(guī)劃誤差較大。在商用領(lǐng)域，機(jī)器人面臨的挑戰(zhàn)更為嚴(yán)峻。例如，餐飲配送機(jī)器人僅能識別固定軌道，語音交互系統(tǒng)響應(yīng)速度緩慢等，難以適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的需求。
轉(zhuǎn)折點出現(xiàn)在2017年，環(huán)境感知技術(shù)取得突破，搭載SLAM技術(shù)的全局規(guī)劃系統(tǒng)在清潔設(shè)備中的應(yīng)用，清潔實現(xiàn)效率大幅提升，標(biāo)志著自主導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)人實用化階段。
人工智能技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步推動服務(wù)機(jī)器人變革。多模態(tài)傳感器集成技術(shù)從期刊論文中的理論，逐步轉(zhuǎn)為行業(yè)應(yīng)用的實踐。毫米波雷達(dá)與3D視覺系統(tǒng)的融合應(yīng)用，使地面微塵的識別精度達(dá)到了毫米級，能耗降低了超過一半。群體智能調(diào)度技術(shù)的突破，使配送機(jī)器人集群能夠?qū)崿F(xiàn)每秒數(shù)十臺設(shè)備的協(xié)同運(yùn)作，在密集場景下單
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機(jī)器人“噴涂”國產(chǎn)制造業(yè)藍(lán)圖
■文/李軻昕
引言
歷經(jīng)十余年深耕，北京炎凌嘉業(yè)智能科技股份有限公司在機(jī)器人噴涂領(lǐng)域?qū)移萍夹g(shù)壁壘，逐漸成長為國家級專精特新“小巨人”企業(yè)。炎凌嘉業(yè)依托防爆機(jī)器人、重載機(jī)器人等核心產(chǎn)品，在攻克汽車行業(yè)涂裝的行業(yè)難題之余，加速布局軌道交通、軍工、航空航天、風(fēng)電行業(yè)的噴涂、智能裝配等應(yīng)用。從工藝突破到全鏈創(chuàng)新，炎凌嘉業(yè)正以先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)，加快我國裝備制造業(yè)的智能藍(lán)圖。
新力日本發(fā)那科機(jī)器人在為問界汽車噴涂，以“國產(chǎn)新能源汽車”著稱的比亞迪也選擇布設(shè)來自德國杜爾的“未來涂裝車間”。一直以來，國產(chǎn)噴涂機(jī)器人在汽車行業(yè)的生存空間很小。
國內(nèi)唯一一家提供汽車整車噴涂解決方案的本土企業(yè)一一北京炎凌嘉業(yè)智能科技股份有限公司（以下簡稱“炎凌嘉業(yè)”），成立至今已有十一二年的時間。在這不算短暫的發(fā)展歷程中，炎凌嘉業(yè)一步一腳印，壘實汽車噴涂領(lǐng)域的技術(shù)根基，將應(yīng)用領(lǐng)域逐步拓展至乘用車、商用車、工程機(jī)械、軌道交通等領(lǐng)域，目前服務(wù)的主要客戶包括中國中車、長安汽車、濰柴動力、一汽重汽等。
兩類核心產(chǎn)品滿足噴涂多樣化 需求
以飛機(jī)噴涂為例，炎凌嘉業(yè)研發(fā)負(fù)責(zé)人介紹道，空客、波音及國內(nèi)各大飛機(jī)制造商的飛機(jī)表面涂裝作業(yè)環(huán)節(jié)，仍在依賴人工完成絕大部分工作。這種作業(yè)模式存在著噴涂環(huán)境差、噴涂工藝不可控（漆膜厚度不均勻）、勞動強(qiáng)度大等難題，既影響項目進(jìn)度又危害作業(yè)人員健康。炎凌嘉業(yè)應(yīng)用自主研發(fā)的防爆機(jī)器人、復(fù)合防爆機(jī)器人結(jié)合空間定位導(dǎo)航技術(shù)、機(jī)器人安全技術(shù)及噴涂工藝技術(shù)等構(gòu)建綜合系統(tǒng)，解決飛機(jī)等大型目標(biāo)體的表面涂裝作業(yè)的難題。3月14日，由炎凌嘉業(yè)、高校、企業(yè)團(tuán)隊聯(lián)合提請的“國產(chǎn)大飛機(jī)整機(jī)智能涂裝技術(shù)及裝備”項目，經(jīng)中國機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用協(xié)會鑒定為國際先進(jìn)水平。飛機(jī)噴涂技術(shù)已得到中國商飛的成功驗證，未來該技術(shù)有望為我國航空航天大型裝備制造業(yè)提供噴涂作業(yè)整體解決方案。
保障安全、應(yīng)用廣泛的防爆機(jī)器人
炎凌嘉業(yè)的防爆機(jī)器人系列產(chǎn)品是其核心產(chǎn)品之一?！胺辣瑱C(jī)器人并非不怕爆炸，而是通過特殊的技術(shù)手段，確保在易燃易爆環(huán)境中不會引發(fā)爆炸。”公司研發(fā)負(fù)責(zé)人耐心地講解道。炎凌嘉業(yè)在防爆機(jī)器人中運(yùn)用了多種防爆技術(shù)，如正壓防爆、隔爆、本安防爆等，形成了豐富多樣的產(chǎn)品，目前形成了從核心零部件到噴涂用的防爆機(jī)器人、重載防爆機(jī)器人、移動防爆機(jī)器人三個產(chǎn)品系列。
除了噴涂環(huán)境需要做防爆處理，炎凌嘉業(yè)還研制了防爆AGV底盤，用于在防爆環(huán)境下進(jìn)行物料的轉(zhuǎn)運(yùn)工作。復(fù)合防爆機(jī)器人是由防爆AGV底盤加上機(jī)械手臂組成，具備移動噴涂功能，還可用于金屬打磨、易燃易爆原材料搬運(yùn)等領(lǐng)域。在彈藥生產(chǎn)等行業(yè)，由于過去一些設(shè)備防爆等級不高，曾發(fā)生多起爆炸事故，造成人員傷亡。炎凌嘉業(yè)的防爆機(jī)器人能夠有效解決這些安全隱患，保障生產(chǎn)過程的安全與穩(wěn)定。
高效搬運(yùn)、轉(zhuǎn)運(yùn)的重載機(jī)器人
重載機(jī)器人也是炎凌嘉業(yè)的重點產(chǎn)品之一。炎凌嘉業(yè)的重載機(jī)器人包括重載6軸工業(yè)機(jī)器人以及重載AGV。重載6軸工業(yè)機(jī)器人負(fù)載達(dá)到1噸以上，主要用于搬運(yùn)重型物品，而重載AGV則側(cè)重于重型物品的轉(zhuǎn)運(yùn)。這些產(chǎn)品主要應(yīng)用于大型工業(yè)領(lǐng)域，解決大型工業(yè)交通中的搬運(yùn)和轉(zhuǎn)運(yùn)難題。
在2024世界機(jī)器人大會上，炎凌嘉業(yè)展出了會場中最大的機(jī)器人一自重超7噸、最大抓取負(fù)載重量1.2噸的重載工業(yè)機(jī)器人。劉大宇表示，炎凌嘉業(yè)正向
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移動機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)的研究進(jìn)展
■文/楊雪
摘要
本文從移動機(jī)器人導(dǎo)航的主要目標(biāo)出發(fā)，分析了導(dǎo)航任務(wù)的核心目標(biāo)和實現(xiàn)路徑，詳細(xì)闡述了多傳感器融合定位技術(shù)、智能路徑規(guī)劃算法、SLAM技術(shù)的改進(jìn)與優(yōu)化，以及智能導(dǎo)航系統(tǒng)的集成與應(yīng)用的研究現(xiàn)狀。同時，針對當(dāng)前技術(shù)存在的瓶頸，提出了未來研究方向，包括深度學(xué)習(xí)與強(qiáng)化學(xué)習(xí)在導(dǎo)航中的應(yīng)用、多機(jī)器人協(xié)同導(dǎo)航與任務(wù)規(guī)劃，以及邊緣計算與云端協(xié)同的導(dǎo)航架構(gòu)設(shè)計。本文旨在總結(jié)現(xiàn)階段研究成果，為推動移動機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供參考和思路。
隨人作為移動機(jī)器人自主運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)，導(dǎo)航技術(shù)在提升機(jī)器人環(huán)境適應(yīng)性、定位精度和路徑規(guī)劃能力等方面發(fā)揮著核心作用。移動機(jī)器人導(dǎo)航的核心目標(biāo)是從起始位置到目標(biāo)位置的路徑規(guī)劃與控制，要求實現(xiàn)高效的引l導(dǎo)（guiding）與安全的航行（moving）。然而，復(fù)雜環(huán)境和動態(tài)變化對導(dǎo)航技術(shù)提出了更高的要求，包括實時環(huán)境感知、多目標(biāo)協(xié)同、自主決策等能力。近年來，研究人員在多傳感器融合、智能算法、SLAM技術(shù)，以及智能系統(tǒng)集成等方面取得了重要進(jìn)展，但仍面臨著動態(tài)環(huán)境適應(yīng)性不足、路徑規(guī)劃效率低、實時性欠佳等挑戰(zhàn)。為此，本文總結(jié)了移動機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)的最新研究進(jìn)展，探討了深度學(xué)習(xí)、多機(jī)器人協(xié)同、邊緣計算等新興技術(shù)在導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，以期為未來研究提供參考和指導(dǎo)。
移動機(jī)器人導(dǎo)航的主要目標(biāo)
機(jī)器人導(dǎo)航任務(wù)的核心目標(biāo)是實現(xiàn)從起始位置 x_{s} 到目標(biāo)位置 x_{g} 的路徑規(guī)劃與控制。為了達(dá)到這一目標(biāo)，導(dǎo)航任務(wù)通常要求兩大主要功能：引導(dǎo)（guiding）與航行（moving）。引導(dǎo)的目標(biāo)是通過合適的導(dǎo)航策略減少路徑規(guī)劃中的代價函數(shù)，以實現(xiàn)目標(biāo)的高效達(dá)成；航行的目標(biāo)是確保機(jī)器人在移動過程中避開障礙物，保持安全性，避免與環(huán)境中的任何危險因素發(fā)生碰撞。
在數(shù)學(xué)上，導(dǎo)航任務(wù)可以通過一個優(yōu)化問題來描述，通常涉及到最小化一個代價函數(shù) c(u_{0},u_{1},...,u_{T}) ，該代價函數(shù)衡量了機(jī)器人運(yùn)動過程中各項控制信號的綜合效果，并確保機(jī)器人能夠從起點 x_{s} 到達(dá)目標(biāo)點 x_{g} 的過程中始終滿足安全約束條件。導(dǎo)航的優(yōu)化問題可以寫為：
u_{0},u_{1}....,u_{T}=\arg\operatorname*{min}c(u_{0},u_{1}....,u_{T}) \begin{array}{r l}{s.t}&{{}\ f(x_{k},u_{k-1},\omega_{k})=}\end{array} x_{k},x_{k}\inQ_{f r e e},\forall k=0,1,...,T
其中， x_{k} 表示機(jī)器人在時刻 k 的狀態(tài)，u_{k} 為機(jī)器人控制信號， \omega_{k} 為過程噪聲，\boldsymbol{Q}_{f r e e} 是機(jī)器人能夠安全移動的空間區(qū)域，且路徑必須避免進(jìn)人障礙物區(qū)域 \boldsymbol{Q}_{o b s} 。在此框架下，機(jī)器人不僅要在盡可能短的路徑上完成從 x_{s} 到 x_{g} 的轉(zhuǎn)移，還要確保路徑中的每一時刻都不會穿越已知的障礙物區(qū)域，從而保證機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時不會發(fā)生碰撞或損壞。
引導(dǎo)（guiding）和航行（moving）是導(dǎo)航系統(tǒng)中相互補(bǔ)充的目標(biāo)。引導(dǎo)注重對路徑的優(yōu)化，尋求最小化代價函數(shù)并提高導(dǎo)航效率，而航行則注重路徑的安全性，確保機(jī)器人在動態(tài)環(huán)境下仍然能夠規(guī)避障礙物，順利完成目標(biāo)任務(wù)。兩者相輔相成，最終確保機(jī)器人在不同環(huán)境和場景中的可靠性與實用性。
移動機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用研究
多傳感器融合定位技術(shù)
近年來，多傳感器融合技術(shù)在移動機(jī)器人定位中得到了廣泛應(yīng)用。金凱樂以等提出了一種基于激光SLAM的移動機(jī)器人自主導(dǎo)航優(yōu)化方法，利用圖優(yōu)化理論獲取全部位姿拓展節(jié)點對應(yīng)的子節(jié)點，通過閉環(huán)檢測計算誤差最小的位姿，并根據(jù)SPA算法更新位姿，實現(xiàn)了準(zhǔn)確的機(jī)器人位姿估計。翁嘉鑫3等將傳統(tǒng)的基于ROS平臺的Navigation功能框架與AprilTag標(biāo)簽算法相結(jié)合，設(shè)計了一種新型導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用Gmapping算法和AMCL算法分別完成環(huán)境建圖與機(jī)器人定位，通過Navigation功能框架獲取環(huán)境地圖與機(jī)器人位姿信息進(jìn)行路徑規(guī)劃，并結(jié)合AprilTag標(biāo)簽算法進(jìn)行導(dǎo)航，提高了系統(tǒng)在多場景下的適應(yīng)性。江航等在ROS2的基礎(chǔ)上設(shè)計了自主移動機(jī)器人AMR的硬件和軟件系統(tǒng)架構(gòu)，提出了基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的地圖構(gòu)建技術(shù)。相關(guān)學(xué)者采用深度相機(jī)和激光雷達(dá)進(jìn)行融合建圖，并利用陀螺儀輔助進(jìn)行機(jī)器人姿態(tài)調(diào)整，提高了機(jī)器人的自定位準(zhǔn)確度和導(dǎo)航精度。這些研究表明，多傳感器融合技術(shù)可以有效提高移動機(jī)器人的定位精度和環(huán)境感知能力，為實現(xiàn)可靠的自主導(dǎo)航奠定了基礎(chǔ)。
智能路徑規(guī)劃算法
智能路徑規(guī)劃是移動機(jī)器人導(dǎo)航的核心技術(shù)之一，近期研究主要集中在改進(jìn)傳統(tǒng)算法和設(shè)計新型算法兩個方面。蔣澤艷[5]等提出了基于異構(gòu)串行蟻群算法的路徑規(guī)劃方法，通過改進(jìn)柵格模型的投影、膨化和編碼過程，引人信息素非均勻初始化方法和角度啟發(fā)因子，并采用異構(gòu)螞蟻串行策略，有效減少了機(jī)器人工作路徑長度和拐點數(shù)量。黃蓮花6等提出了一種新的全局路徑規(guī)劃器，采用Voronoi圖提取環(huán)境中最安全的區(qū)域，并將快速行進(jìn)法應(yīng)用于該區(qū)域，從而獲得最短的路徑。此外，他們還提出了通用機(jī)器人導(dǎo)航架構(gòu)，將機(jī)器人導(dǎo)航和環(huán)境快速全局規(guī)劃器相結(jié)合，并采用樣條規(guī)劃曲線對全局路徑進(jìn)行細(xì)化插補(bǔ)。王凱凹等提出了一種改進(jìn)的A算法實現(xiàn)AMR的路徑規(guī)劃，提高了路徑規(guī)劃的效率和準(zhǔn)確性。有學(xué)者對傳統(tǒng)A算法進(jìn)行
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基于深度學(xué)習(xí)與機(jī)器視覺的水果分抹系統(tǒng)設(shè)計
■文/韋沛成、張申奧、林鵬威、彭驍、余華
摘要
隨著抖音、快手等短視頻帶貨平臺的興起，為傳統(tǒng)農(nóng)產(chǎn)品銷售拓寬了銷售渠道，顯著帶動了地方農(nóng)產(chǎn)品銷售。針對家庭或微小型農(nóng)場用人成本高、人工分揀效率低和主觀性強(qiáng)等問題，本文設(shè)計了基于深度學(xué)習(xí)與機(jī)器視頻的水果分抹系統(tǒng)，主要包括水果深度學(xué)習(xí)模型構(gòu)建和機(jī)器視覺識別系統(tǒng)設(shè)計。該系統(tǒng)基于YOLOV8模型，不斷優(yōu)化調(diào)整模型參數(shù)和訓(xùn)練過程，將訓(xùn)練高效、精準(zhǔn)的水果模型部署至嵌入式系統(tǒng)。然后，結(jié)合機(jī)器視覺系統(tǒng)和分揀執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)自動化的水果分揀操作，能夠有效地提高農(nóng)場的分揀效率，減少人工干預(yù)，并確保水果品質(zhì)。
隨推動農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、拓寬農(nóng)民就業(yè)增收渠道等方面成效顯著-2。然而，在鄉(xiāng)村農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展實踐中，農(nóng)戶因資金投入規(guī)模較小，無法像大型企業(yè)采用現(xiàn)代全自動化的生產(chǎn)經(jīng)營方式，生產(chǎn)效益較低。特別是水果類農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)經(jīng)營，不僅采收時間短、品質(zhì)和新鮮度要求高，還需要雇傭大量的勞動力，導(dǎo)致短時間內(nèi)的當(dāng)?shù)厝斯こ杀静粩嗯噬?，影響小微企業(yè)、家庭農(nóng)場等可持續(xù)發(fā)展。針對這一問題，課程組深入研究鄉(xiāng)村農(nóng)場水果分揀需求，設(shè)計果園智能分掠系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了YOLO模型、圖像識別技術(shù)、深度學(xué)習(xí)和傳感器技術(shù)，在作業(yè)區(qū)內(nèi)可實時檢測水果，并給出其位置、類別、大小、成熟度等特征，高效地完成對目標(biāo)的分抹，提升小微型農(nóng)場較復(fù)雜水果分掠場景中的自動化管理水平。
整體設(shè)計方案
總體方案設(shè)計
該水果分抹系統(tǒng)基于RK3588作為主控芯片，結(jié)合YOLOv8n-seg深度學(xué)習(xí)模型、OpenCV圖像處理技術(shù)和OpenCL并行計算優(yōu)化，旨在實現(xiàn)水果的快速識別、品質(zhì)分級與高效分棟。系統(tǒng)核心采用RK3588，通過USB、Wi-Fi、RS485、HDMI、I2C和PWM等通信接口與攝像頭、步進(jìn)電機(jī)、顯示屏等外圍硬件交互，協(xié)調(diào)各模塊工作。攝像頭部分采用V4L2驅(qū)動框架，支持實時調(diào)整采集速率、曝光度和對焦距離，以適應(yīng)復(fù)雜光照條件。
在圖像處理部分，利用YOLOv8n-seg模型對水果的種類和表面缺陷（如裂紋、斑點、損傷等）進(jìn)行精準(zhǔn)識別，通過OpenCL技術(shù)對YOLOv8推理過程進(jìn)行加速，充分發(fā)揮RK3588的硬件并行計算能力，大幅提高識別速度。同時，結(jié)合OpenCV進(jìn)一步分析水果的顏色、形狀和紋理特征，評估其新鮮度和品質(zhì)等級。識別結(jié)果由主控芯片分類處理，通過步進(jìn)電機(jī)精準(zhǔn)控制傳送帶，將水果按照三個等級（如優(yōu)質(zhì)、中等、次等）分掠至不同出口，確保分抹的快速性與準(zhǔn)確性。
系統(tǒng)配備Qt觸摸屏界面，實時顯示水果種類、缺陷信息、新鮮度評估結(jié)果和分抹統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并支持用戶對分抹策略進(jìn)行自定義配置和遠(yuǎn)程監(jiān)控。此外，系統(tǒng)通過OpenCL的計算加速功能實現(xiàn)了YOLOv8與OpenCV任務(wù)的高效并行處理，進(jìn)一步提升了實時性能，滿足高吞吐量需求。整體設(shè)計充分利用RK3588的計算能力、YOLOv8的識別精度、OpenCV的分析功能和OpenCL的加速優(yōu)勢，實現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集到智能分掠的全流程高效自動化，為水果分揀提供了一種高性能、智能化的解決方案，系統(tǒng)流程圖如圖1所示。
硬件設(shè)計
電源設(shè)計
通過QC2.0協(xié)議3將電壓誘騙升壓至 12~V ，以滿足開發(fā)板的供電需求。該電路通過Type-C接口采用QC（QuickCharge）協(xié)議誘騙技術(shù)，將充電器的輸出電壓從默認(rèn)的5V調(diào)節(jié)至 12~V 。傳統(tǒng)USB充電電壓不超過 5~V~ ，電流小于2A，實際充電功率不足 7.5~W 。而 \QC2.0 支持多檔電壓（如5V、9V和12V）和更大的電流，最高充電功率可達(dá) 36~W 。在誘騙過程中，DP和DN引I腳分別輸出 0.6~V~ 電壓，此電壓由1N4148二極管的結(jié)電壓提供。通過由兩個 470k\Omega 電阻和一個 10\upmu\up F 電容組成的RC延時電路，控制N溝道效應(yīng)管2N7002延遲導(dǎo)通，從而實現(xiàn)將 0.6~V~ 電壓延遲傳輸至DN引I腳，確保信號發(fā)送的時序正確。當(dāng)誘騙信號被適配器成功識別后，適配器輸出 12~V 電壓。如圖2所示。
驅(qū)動28步進(jìn)電機(jī)工作電壓為 24~V~ ，需將12V輸人電壓穩(wěn)定升壓至24V輸出。該電路采用Boost電路，以高效升壓芯片XL6019E1為核心，其24V升壓電路原理圖如圖3所示。
裝置主體與傳輸?shù)脑O(shè)計
分掠裝置根據(jù)計算機(jī)指令精準(zhǔn)控制機(jī)械組件，將水果按照優(yōu)質(zhì)、中等、次等和損壞等標(biāo)準(zhǔn)分抹至不同出口。通過傳輸帶，水果被輸送至分抹區(qū)域，經(jīng)過攝像頭實時
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智能才是機(jī)器之道
