科罗拉多矿业学院的最新机器人研究成果
“工程之路”是科罗拉多矿业学院（Colorado School of Mines，GSM）的口号。这一口号恰如其分地说明了专注工程和应用科学的公立研究型大学是如何进行机器人研究的。 GSM是少数几个在资源勘探、开采、生产和利用上具有丰富的专业知识的机构之一。 GSM的自动化、机器人和分布式智能中心（CARDI）主要从事机器人和自动化、控制系统、计算机视觉和智能、分布式系统和网络以及数据/信息的跨学科研究。 “一流的设施，与行业、国家实验室、其他大学、资助机构以及国际组织的伙伴关系，使我们能够保持尖端研究，并在现实问题中具有显著的影响作用，” GSM研究和技术转让高级副总裁Anthony Dean说。
安全至上的开采机器人
GSM的学生们与机械工程教授John Steele和电气工程和计算机科学教授Qi Han共同开发了无人操作机器人，实现石油和天然气检测过程的自动化。 炼油厂员工长期曝露在爆炸、天然气泄漏和极端天气等危险之中。Steele说，“我们正试图用机器人来做目前工人做的事情，让工人远离危险，提高安全性。” 该项目开始于2012年12月，并与去年年底结束，专注于构建、测试和交付一个用于炼油厂和其他工业现场环境检测的机器人原型。 “该机器人是为阿布扎比石油学会的学院而构建的，被用作检测机器人的第一个样品，”Steele说。“它被用于训练研究生（和）展示给PI的工业合作伙伴，该技术可用于石油和天然气行业的现场检测应用。” 机器人配备有甲烷气体传感器、摄像机、麦克风、热成像仪、GPS、数字罗盘、激光测距仪和Wi-Fi传感器及设备。这些技术旨在帮助机器人导航、避免碰撞、并发信息给控制室的操作员。 不管在室内还是室外，最终功能完善的机器人都能实现自主导航和避开障碍物。它可以让人类控制进行协同工作，Steele说。“今后的工作将侧重于实现检测任务和针对情景决策的机器智能化开发。”他这样说。 虽然机器人主要设计用于石油和天然气行业，Steele指出，它同样适用于采矿应用。“实际上，我们已把它用在GSM的试验矿山，”他说。GSM研究人员还研究了其他几个采矿机器人技术，包括搜救机器人MineSENTRY。 Steele说，他相信检测机器人最终将广泛应用于炼油厂及相关的工业环境。“我想你可以看到未来五到十年的现场系统，根据不同的经济和新发展中遇到的风险等级。”
GSM的康复机器人研究
GSM机器人项目远不止炼油和矿业领域。事实上，医学和康复机器人应用正迅速成为CSM的一个研究特色。 机械工程教授Ozkan Celik和两个CSM学生最近设计了一个机器人外骨骼，被称为“腕万向（Wrist Gimbal）”，有望帮助中风患者进行重复运动治疗任务。
“腕万向是一个前臂和腕关节康复外骨骼，”Celik说。“其主要目的是帮助神经受损伤的人，例如中风和脊髓损伤，由机器人提供个性化的协助，通过类似游戏的动作练习恢复感觉功能。” 在Celik之前设计的模型基础上，新机器人主要关注两个自由度，预计售价不高于5000美元。 “跟其他其他许多康复机器人项目一样，我们也希望能提高患者的治疗效果，让我们开发的设备和技术更容易接受，”Celik说。“容易接受意味着合理的成本及紧凑的设计，这也是我们在设计中重点考虑的。” 由于中风病人并不多用轮椅，该团队开发了一种机器人外骨骼，使得中风病人坐下时就能绑上。病人需要紧紧抓住设备，并用手腕动作进行评估以确定他们最大的活动范围。在特定任务重，机器人用力协助或阻止移动和记录响应。 使用机器人进行物理治疗有多种好处，Celik说，包括提高病人的积极性，以及提供重复和强化运动锻炼能力。他还指出，“游戏化的界面可以刺激患者进行锻炼的动力，并提示他们完成辅助练习。” 机械工程高级学生、GSM机器人俱乐部主席David Long致力于机械设计和3D打印、机械加工，和几种设备零件的激光切割。他也曾专注于机器人控制系统。 系统生成的数据可用于客观而准确地量化马达功能的改善水平。“康复机器人的主要目标是提高患者的治疗效果，让这些新颖的改进的治疗技术和协议更容易接受，并最终降低相关成本。”Celik说。 Celik指出，物理及职业治疗师可以用腕万向对中风或脊髓损伤患者进行物理治疗。他说，“它可用于康复中心和诊所。我们与科罗拉多神经研究所合作，正用机器人进行中风患者的临床试验。” 研究人员构建了两个腕万向原型。Celik说，“第二个版本已准备好进行临床试验。目前，我们正探索用于治疗的更多游戏，并降低设备成本，实施相互作用力感应和预估能力。” Celik认为，康复应用将推动未来两三年内外骨骼领域的投资。他指出，“最近，几个硬外骨骼已经可以商业化，一个下肢外骨骼产品已经获得了FDA的批准。” Celik预计，不同价格的外骨骼产品将最终广泛应用。“在研究方面，未来几年里，我相信在软外骨骼上还会有显著的研究兴趣和进步。”
意识引导手术机器人
GSM机械工程教授Xiaoli Zhang和研究生Songpo Li开发了一种“凝视控制”机器人腹腔镜系统，可以帮助外科医生进行腹腔镜手术。 腹腔镜手术是通过小切口在腹部或骨盆进行的一种手术。配备有相机的腹腔镜通过该切口插入，外科医生能够在显示器上看到的手术区域。与开腹手术不一样，腹腔镜手术可以减少疤痕，出血量，恢复时间和术后的疼痛。然而，由于腹腔镜控制和定位的限制，外科医生必须克服生理性震颤、疲劳和支点效应。 “我们的智能意识引导机器人腹腔镜旨在通过将腹腔镜介入从外科医生的待办事项中去除，以消除外科医生的这些身体和心理负担。”Zhang说。
机器人手臂拿住摄像头，而外科医生就不用了。Zhang说，“相机可以轻松控制，你看那里，相机就会自动跟随你的视线。它可以解除腹腔镜对外科医生的干预，使他能专注于仪器操作。” 系统通过不同分析凝视数据来追踪外科医生的视觉注意力。“当外科医生的眼睛停止在一个新的固定区域时，机器人调整腹腔镜来显示不同的视野，专注于感兴趣的新区域，”Zhang解释道。 为了验证程序的有效性，该团队对六组临床试验者进行了可视化任务测试。参与者报告说，“他们可以跟视野进行自然交流，完全没感觉到机器人腹腔镜的存在，”Zhang说。 “使用这个系统，外科医生可以单独进行手术，这在战场以及其他一些人力紧缺的情况下是非常实用的。”她说。“我们预计这一技术还有其他的应用，例如用于上肢运动有困难的残疾人和老年人。”
认识到机器人技术的跨学科需求 GSM对机器人教育和研究对几乎所有工程领域学生的重要性的认识可以追溯到几十年前。1989年，学校的课程委员会批准了两个跨学科副修科目：一个是机器人，另一个是机器人和人工智能。必修课主要是电气工程、机械工程和计算机科学课程的组合。 “这个副修科目仍然存在，但他们需要更新，”发言人指出。“我们相信，副修科目可以培养GSM学生在CARDI课题上的兴趣。”