“海底法拉利”是哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院黃海教授及其團(tuán)隊(duì)研究人員立足于國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)重點(diǎn)項(xiàng)目“水下機(jī)器人自主環(huán)境感知與生物目標(biāo)無(wú)損抓取研究”研制的，項(xiàng)目起步于2016年。黃海介紹，隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，潛水員人工捕撈的作業(yè)模式已經(jīng)越來(lái)越不能滿足海洋經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的要求。捕撈人力成本高、水下工作環(huán)境惡劣、受到客觀因素影響作業(yè)時(shí)間有限，因此，團(tuán)隊(duì)致力于研發(fā)一款智能的海底生物捕撈水下機(jī)器人來(lái)代替潛水員的工作，不僅能降低捕撈成本，還能提高捕撈效率及安全性。
出海試驗(yàn)選擇在獐子島附近的自然養(yǎng)殖海域進(jìn)行，然而測(cè)試當(dāng)天，單方向海流速度已經(jīng)達(dá)到了0.6米/秒，海況比較惡劣。風(fēng)浪越大，水流越湍急，越能展現(xiàn)“海底法拉利”的實(shí)力。
“法拉利”身高1.15米，四肢矯健，長(zhǎng)達(dá)1.2米的三關(guān)節(jié)機(jī)械臂是抓取海鮮的殺手锏。它有三只眼睛，可以根據(jù)海鮮的不同位置和海況，智能選擇兩種抓取模式。為了實(shí)現(xiàn)精確識(shí)別，捕撈機(jī)器人在下海的第一天進(jìn)行了樣本采集和訓(xùn)練，在光纜的引導(dǎo)下，“法拉利”被護(hù)送到海面。經(jīng)過(guò)逐步分解的單目自主抓取和雙目自主抓取訓(xùn)練測(cè)試后，獨(dú)立完成從下潛到自主尋找、智能識(shí)別、定位跟隨、自主抓取、收集等一系列全自主操作。
科研人員捏著一把汗，他們靜靜地盯著顯示屏中“法拉利”的一舉一動(dòng)。在湍急的水流中，加足馬力的“法拉利”沒(méi)有受到水流的影響，憑借著強(qiáng)大的雙目模式精準(zhǔn)識(shí)別目標(biāo)，從距離海底1.5米的高度緩緩降落，逐步趨近目標(biāo)，四條腿牢牢罩在目標(biāo)物的周圍，機(jī)械臂果斷出擊。“今天有海鮮吃了!”見(jiàn)一只只扇貝被機(jī)械臂裝進(jìn)背簍，科研人員擊掌叫好。
“法拉利”出海試驗(yàn)圓滿成功，為了這一天，研究團(tuán)隊(duì)先后20余人努力了4年多。“海底作業(yè)不同于陸地，海水混濁能見(jiàn)度差，機(jī)器人要克服大風(fēng)浪與海流的嚴(yán)重影響及正常人類作業(yè)難以應(yīng)付的水下環(huán)境，挑戰(zhàn)性超乎想象。”黃海表示，此次參加海試的第二代“海底法拉利”，經(jīng)過(guò)團(tuán)隊(duì)多年的迭代改進(jìn)升級(jí)，已經(jīng)逐個(gè)突破了對(duì)海底生物的遠(yuǎn)距離探測(cè)、水下生物的視覺(jué)柔性感知、目標(biāo)生物快速檢測(cè)、識(shí)別與跟蹤和自主抓取等技術(shù)難題。
機(jī)器人在水下智能識(shí)別海底生物和精準(zhǔn)抓取是兩大難題。當(dāng)機(jī)器人發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，海流的方向和流速都是不可控的，機(jī)器人如何實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)抓取？
“我們通過(guò)對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃并調(diào)整機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人精準(zhǔn)趨近目標(biāo)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，機(jī)器人的手眼配合非常重要，團(tuán)隊(duì)還特別開(kāi)發(fā)了手眼協(xié)調(diào)控制模型，克服了攝像機(jī)和模型參數(shù)的不確定性，實(shí)現(xiàn)了手眼融合自主作業(yè)。”黃海說(shuō)。
據(jù)團(tuán)隊(duì)成員介紹，水下機(jī)器人不僅能抓取扇貝，鮑魚(yú)、螃蟹、海參等海洋生物，在它學(xué)習(xí)之后，任何海洋生物都能識(shí)別抓取。“不但提高了工作效率，還減少了對(duì)海底生態(tài)環(huán)境的破壞，有利于海洋生物養(yǎng)殖的可持續(xù)發(fā)展。”
下一步，團(tuán)隊(duì)還將繼續(xù)改良機(jī)器人的各方面性能，通過(guò)環(huán)境感知和智能決策，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境中對(duì)復(fù)雜組合體、軟體動(dòng)物甚至生命活體的操作和作業(yè)，推動(dòng)我國(guó)水下機(jī)器人自主環(huán)境感知與作業(yè)技術(shù)研究應(yīng)用取得重大突破。
