極限作業(yè)機(jī)器人系列（七）——水上救援機(jī)器人

極限作業(yè)機(jī)器人（robot under critical working condition）是可以在人為難以接受的環(huán)境下工作的工業(yè)機(jī)器人，水上救援機(jī)器人則是其中用于水域救援的一類機(jī)器人。

（2018年10月重慶萬州公交客車墜江事故救援現(xiàn)場）

每年，因?yàn)樘鞛?zāi)海嘯、洪水、臺風(fēng)，溺水逝去的人不計(jì)其數(shù)。僅以2020年為例，我國因洪澇災(zāi)害就造成6346萬人人次受災(zāi)，200多人死亡失蹤，直接經(jīng)濟(jì)損失1789億元。過去，對于水中救援，只有船艦與潛水員的結(jié)合模式，但是針對高流速、大深度、視距短的位置，水下救往往困難重重。水域環(huán)境復(fù)雜，水流湍急，潛水人員體力限制等這些因素都成為搜救阻礙，且超過30米的水下更是有很大的安全風(fēng)險(xiǎn)，而以水上救援機(jī)器人為代表的新科技的出現(xiàn)，給水上救援帶來了新的希望。

（水上救援機(jī)器人）

世界上第一臺水下救援機(jī)器人是1974年由Hydro公司生產(chǎn)的RCV-225型有纜無人水下運(yùn)載器，該裝備的質(zhì)量為82kg，作業(yè)深度為400米。1992年日本海洋科技中心研制了無人潛艇“海溝號”機(jī)器人, 其最大下潛深度達(dá)到10 911.1米。美國研制了著名的Jason系列水下救援機(jī)器人。它是一種雙體機(jī)器人系統(tǒng)，由中繼站和機(jī)器人本體組成。2002年，Jason系列的第二代Jason-2號水下救援機(jī)器人投入使用，其最大下潛深度達(dá)到6500米。在上述水下救援裝備研究的基礎(chǔ)上，智能化成為了水下救援裝備的研究方向之一。

(水上智能救援）

孟加拉庫爾納工程技術(shù)大學(xué)研發(fā)了一種新型的救援機(jī)器人，該機(jī)器人既可以在水面漂浮，又可以在水下完成搜救工作。機(jī)器人采用基于物聯(lián)網(wǎng)的新的通信技術(shù)提高人機(jī)交互的便捷性，可以有效地應(yīng)用于任何淺水水域的勘測和救援。意大利開發(fā)了一種用于水下搜索的機(jī)器魚，其采用生物機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，并研究了仿生運(yùn)動(dòng)模式，為開發(fā)具有復(fù)雜行為的仿生水下機(jī)器人奠定了基礎(chǔ)。2013年, 美國VideoRay公司研制了多種水下救援機(jī)器人, 這些機(jī)器人具有強(qiáng)大的水下導(dǎo)航、探測等功能。

（深海救援機(jī)器人）

我國對水下救援裝備的研究起步較晚，但也取得了一定成果。針對水下搜救作業(yè)難度大、強(qiáng)度高、危險(xiǎn)系數(shù)高等難題，中國船舶科學(xué)研究中心(702所)研制了一款適用于淺水水域搜救的遙控式機(jī)器人，最大潛水深度為100米，最大前進(jìn)速度3.7公里/小時(shí)，最大下潛速度1.85公里/小時(shí)，整體質(zhì)量為108公斤。機(jī)器人的動(dòng)力充沛，機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性較好，可用于水下傷員搜索及輔助打撈等，有效解決了淺水水域搜救的難題。

（水上救援機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖）

沈陽自動(dòng)化研究所、江蘇科技大學(xué)及廣州航海學(xué)院設(shè)計(jì)的水下搜救的機(jī)器人也是水下救援機(jī)器人的典型代表，其通過搭載攝像頭等傳感器，具有追蹤打撈、環(huán)境監(jiān)測等功能，可在水流突變等特殊情況下具有一定的防護(hù)能力。中信重工研制的“水下機(jī)器人”, 最大下潛深度300米, 能夠?qū)崿F(xiàn)水平方向360°任意角度平移。該機(jī)器人具備優(yōu)良的探測能力和精確的定位能力, 其搭載的高分辨率多波束前視聲吶能夠?qū)崿F(xiàn)水平方向130°、120米的大范圍探測。在水下搜救打撈作業(yè)中, 能夠快速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)目標(biāo), 為搜救打撈作業(yè)節(jié)約時(shí)間。

（搭載水上救援機(jī)器人的模塊車）

水下機(jī)器人進(jìn)行救援的首要目的應(yīng)該在于進(jìn)行水下觀測，分析和判斷落水人員、車輛、重要物體的具體方位和水中車輛的詳細(xì)狀況，為下一步的救援決策提供支持。掉落的人或事物在水下受到多種力的作用，會發(fā)生漂移。水流湍急、水下環(huán)境復(fù)雜、能見度不高、水溫低，救援潛水員在水下持續(xù)作業(yè)時(shí)間有限，危險(xiǎn)度高，這時(shí)水下機(jī)器人就能發(fā)揮探測的作用，可以對目標(biāo)進(jìn)行精確定位、觀測，及時(shí)傳回水下現(xiàn)場情況。

（水下救援機(jī)器人）

水下機(jī)器人工作是通過工作人員在船上或者岸上遠(yuǎn)程操控，基于螺旋槳推進(jìn)，可快速高效巡游或者直達(dá)目標(biāo)區(qū)域，通過視覺等傳感器探測生命特征并實(shí)時(shí)將信息上傳，提高了水下救援的效率和可靠性。不過，水下機(jī)器人救援也面臨困難，主要是受水浪水流等因素影響，水下情況每時(shí)每刻都處于動(dòng)態(tài)變化中。渾濁的水體、漂浮物、水下環(huán)境對光的折射、散射都會影響到光學(xué)傳感器回傳圖像的質(zhì)量。這就需要水下機(jī)器人有非常強(qiáng)的對水下圖像進(jìn)行增強(qiáng)、處理，再色彩還原的能力，同時(shí)還得確保水下機(jī)器人具有強(qiáng)大的水下穩(wěn)定運(yùn)行能力，動(dòng)力系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能夠完成快速上浮、下潛、推進(jìn)、后退等動(dòng)作。

（可打撈的水下救援機(jī)器人）

水下搜救機(jī)器人最成功的應(yīng)用主要是對于馬航MH370的搜救工作。在此次搜救過程中, 使用了美軍自主水下機(jī)器人藍(lán)鰭-21, 其能在最深6 000米的海底以3~6 公里/小時(shí)的速度行走, 配備了雷達(dá)、照相機(jī)、攝像機(jī)和精確導(dǎo)航系統(tǒng), 如下圖a所示。在韓國“歲月”號客輪的搜救行動(dòng)中, 韓國海洋科技學(xué)院研發(fā)的“螃蟹機(jī)器人”投入到了救援當(dāng)中, 如下圖b所示。在國內(nèi), 四川廣元沉船事故中使用了水下搜救機(jī)器人, 機(jī)器人在水下作業(yè)時(shí)發(fā)現(xiàn)了3具遺體, 如下圖c所示。

目前，水下救援機(jī)器人的研發(fā)主要存在以下問題：1）目前多數(shù)水下搜救機(jī)器人是通過救援人員在岸上操縱上位機(jī)，對水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和反饋信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，這就對救援人員的操作能力提出了較高的要求，提高水下救援機(jī)器人人機(jī)交互的智能化程度是目前救援領(lǐng)域亟待解決的問題；2）由于淡水水域和海水水域的差別，且水下環(huán)境存在能見度低等問題，水下搜救裝備應(yīng)根據(jù)環(huán)境的不同在功能和性能上有所側(cè)重，而目前針對環(huán)境影響的研究相對較少；3）目前的水下搜救裝備操作能力不足，還需要對其水下的切割、抓捕等功能進(jìn)行深入研究。

未來，技術(shù)會不斷更新迭代，水上救援機(jī)器人相關(guān)技術(shù)也會不斷進(jìn)步，給在救援行動(dòng)中帶來新升級，給救援帶來更多可能，挽救更多生命。