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使用高空作業機器人替代人來執行作業是一個必
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工業生產和日常生活中充斥著高空作業的場景，如大型船舶的清洗除銹噴涂、火電鍋爐的檢測探傷維修等場景目前傳統的解決方案是蜘蛛人、腳手架、吊籃作業和高空作業車，最終完成工作的都是工人。 高空作業具有高危、低效、高成本和低質量的特點，尤其是高危，我國每年因高空作業死亡的人數近千人，有意愿從事高空作業的工人越來越少，因此使用高空作業機器人替代人來執行作業是一個必然的趨勢。 01 高空作業市場現狀 截止到2019年，我國第三產業在國民經濟中的占比持續超越第二產業，已高達53.9%，但同西方主要發達國家相比，還處于較低水平，未來仍有很大的增長潛力。 驅動第三產業發展的一個重要原因就是機器人應用的高速增長。據統計，2019年全球機器人市場規模達294.1億美元，近五年年平均增長率為12.3%；相比同年中國機器人市場規模達86.8億美元，近五年年平均增長率高達20.9%。 與此同時，我國和其他發達國家一樣面臨著人口老齡化和少子化，勞動力下滑的現狀，產業結構需要持續的調整，也因此機器人與自動化必然成為全球趨勢。假設未來全球機器人產業的年均增長率不低于10%，我們可以預測未來的產業規模。 機器人市場中長期預測 作為機器人應用領域的重要分支，什么是高空作業機器人呢？ 讓我們先來看看什么是高空作業。所謂高空作業通常指的是高處作業，指人在一定位置為基準的高處進行的作業。國家標準GB/T 3608-2008《高處作業分級》規定：“凡在墜落高度基準面2m以上（含2m）有可能墜落的高處進行作業，都稱為高處作業?！? 高空作業常見的應用場景有化工罐清潔探傷、船舶除銹及水下附作物去除、樓宇外墻清潔及玻璃幕墻檢測等。在這些應用中，傳統的解決方案大多依賴于人工，如蜘蛛人、腳手架、高空作業車等。 傳統高空作業方式 然而這些方案卻有著嚴重的不足，主要體現在四個方面。 高危 2011年-2017年，高空作業死亡人數4766人，平均每年死亡680人。 低效 手腳架方案平均需4人完成單一任務，且搭建形式受環境限制多；高空作業平臺作業高度有限，穩定性不足。 高成本 人工成本極高，腳手架單次搭拆費用在幾十萬至上百萬不等，高空作業平臺租賃價格大概是4萬元/次。 低質量 人工作業質量分散，穩定性、及時性、準確率、環境適應性均難以保證。 02 高空作業技術分析 爬壁機器人是能夠在垂直陡壁上進行作業的機器人，它是高空作業機器人中的一大門類，同時爬壁機器人是移動機器人領域的一個重要分支，它把地面移動機器人技術與吸附技術結合起來，大大的擴展了機器人的應用范圍。 目前爬壁機器人主要是應用在核工業、石化、建筑、消防等行業。 2.1爬壁機器人的吸附方式 （1）磁力吸附式 磁吸附爬壁機器人是依靠磁力吸附于壁面，適用于導磁性材料構成的壁面。 磁力吸附分為永磁吸附和電磁吸附， 永磁吸附是通過在底部設計安裝上永磁材料，形成磁力碗，然后很好的吸附在金屬壁面的表面； 電磁吸附就利用了電生磁的原理，通過電流的磁場效應產生磁力吸附在壁面上。電磁吸附的方式雖然磁力可調，但是結構復雜，需要大體積的機器才可以帶動， 因此現在常用的吸附方式就是永磁吸附，可以很好的在金屬壁面上進行作業。 此外依據吸附元件是否接觸吸附面又可分為接觸式和非接觸式。 接觸式吸附，即磁鐵直接接觸吸附面。同理可知什么是非接觸式吸附， 非接觸式吸附可以使得機器人更加方便的在吸附面移動。 磁力吸附的方式大多應用在船舶、化工領域進行除銹、清潔等作業。 （2）負壓吸附型 負壓吸附型爬壁機器人可分為單負壓倉和多負壓倉。 負壓吸附主要是把倉體內空氣排空，使得內外產生大氣壓力差，外部大氣壓會壓著機器人吸附在壁面上。 這種方法具有噪音小、易于小型化集成的優點，同時對壁面的光潔度及透氣性要求較高，所以常適用于玻璃幕墻、太陽能光伏面板等環境。 （3）正壓推進型 使用螺旋槳或者涵道風扇產生合適的推力，從而使機器人能夠穩定可靠地貼附在壁面上。適用于橋梁、建筑領域。 （4）摩擦力抱撐 對于柱狀結構的外壁，可采用外箍的方式；對于管狀結構的內壁，可采用內撐的方式。適用于風電塔清洗、管道檢測探傷等。 （5）壁虎仿生型 細型倒鉤刺：極細小的倒鉤刺，通過在粗糙壁面上“扣” 住凸緣實現爬壁； 微精細剛毛：大量的微精細剛毛保證了仿壁虎腳掌與接觸面的充分接觸，產生強大黏附力。常見應用在水泥壁面、磚石壁面等環境。 爬壁機器人吸附方式 2.2爬壁機器人的移動方式 （1）腿足式 基于新的機器人運動學，通過控制柔性腳足的步態實現在各種戶外表面上的攀爬，如樹木、桿子、灰泥、磚塊等，代表為KOD實驗室的RISE項目制作的爬壁機器人。 （2）車輪式 給輪式機器人加裝兩個可傾斜的推進器，其中的螺旋槳還可調節推力方向，從而使機器人實現從地面到墻壁的反復。常見的有VertiGo爬壁機器人。 （3）履帶式 可以在垂直或倒置的表面爬行，通過遠程遙控操作，可避免高危的化學或毒素環境。 （4）框架式 框架結構是一種比較平穩的結構。為了獲取更大的吸附力，常采用多吸盤結構，增大機器人與壁面的接觸面積。如Serbot機器人，在吸盤周邊安裝刷毛可實現清潔。 爬壁移動方式特點 03 高空作業機器人研究發展現狀及未來趨勢 3.1 研究發展現狀 當前高空作業機器人常見的典型應用有：火電鍋爐清洗探傷修復、船舶除銹、和化工打磨探傷焊接等。 在特種場景作業等工業領域，國內的企業和研究機構集中在史河科技、清華、中科院等；國外則有Gecko Robotics、CMU和MIT等。在外墻清洗與幕墻檢測等民用領域，國內外的研究企業和機構有北航、新加坡南洋理工和Serbot等。 過去二三十年來，高空作業機器人的研發一直停留在研究所與高校，國內目前尚無高空作業機器人產業化方面的先例。 主要有以下三個原因： 場景復雜 針對不同場景的特殊需求，往往需要進行機器人的定制化設計，從而導致研發成本和研發周期居高不下。 功能不足 傳統機器人樣機尺寸較小，負載能力低，且主要針對平面場景設計，所以其應用場景非常局限。一般只能搭載攝像頭等檢查設備，且無法在風電、船舶、管道、化工等曲面場合應用。 效率偏低 特定場景下的功能模組與爬壁機器人本體集成后，過去均采用遙控方式操作整機，導致操作人員進入門檻較高，現場使用效率低下。 如何實現工業和民用領域推廣？ 史河科技CTO王志超先生認為做爬壁機器人產品應該像中醫一樣，講究望、聞、問、切、治五個步驟，其中望、聞兩步主要是通過高清攝像機、無人機、嗅覺傳感器等器件來實現。找到問題之后，使用爬壁機器人進行檢測、探傷、修復，即問、切、治。當爬壁機器人具備這五步之后，相信一定可以全面應用于工業和民用領域。 爬壁機器人推廣所需 3.2 未來發展趨勢 隨著技術的發展，高空作業機器人將朝以下三個方面發展： 曲面適應底盤 爬壁機器人底盤，可實現曲面適應，從而極大地拓寬了應用場景（風電、船舶、管道、化工等場景下的高空壁面均為空間異形曲面）。 模塊化 吸附模組和行走模組等核心部件模塊化、標準化，整機基于所需部件進行快速組裝與集成，加速產品研發過程。 智能化 基于ROS系統，結合SLAM與AI技術，提高機器人自主移動與自動作業能力，盡可能降低人工參與的程度，從而簡化對操作人員的要求，并大幅度提升作業質量和作業效率。 04 史河科技高空作業機器人的介紹及未來研究方向 針對行業傳統的高危、低效和高成本痛點。史河科技通過柔性底盤適應曲面，可適度越障，提高負載能力；通過控制算法實現柔性底盤運動學逆解，SLAM及自主導航；對行走模組、吸附模組、功能模組等部件進行模塊化設計。通過使用這些方式，史河科技提供了全套的高空作業方案，其中包括磁力吸附型、負壓吸附型、模塊化履帶等。 4.1 產品介紹 產品一：應用于船舶/化工領域的除銹機器人RPP-MW-SRR RPP-MW-SRR 產品二：應用于船舶/化工領域的噴涂機器人RPP-MW-CS RPP-MW-CS 產品三：應用于化工罐的打磨機器人RPP-LW-CP RPP-LW-CP 產品四：應用于火電鍋爐的檢測機器人RPP-LW-TED RPP-LW-TED 產品五：應用于樓宇外墻的清洗機器人RPP-CP-BC（在研） RPP-CP-BC 4.2核心優勢 核心技術優勢一 大負載自重比與強曲面適應能力。大負載自重比主要是通過高功率密度電機驅動器、驅控傳動一體化模組、驅控傳動一體化模組及即時定位與自主導航控制器實現；強曲面適應能力通過力-磁耦合分析與優化設計、超強釹鐵硼磁吸材料、陣列化磁場精準設計、壁面防滑輪胎/履帶微觀紋路以及分布式柔性鉸鏈關節來實現。 核心優勢一 核心技術優勢二 智能機器人控制系統包含：SLAM，多傳感器融合，自適應的避障，多點激光定位等，以此實現機器人的半自主和未來全自主的作業。 核心優勢二 核心技術優勢三 針對不同的應用領域，史河機器人在除銹工藝、檢測工藝、打磨工藝、噴涂工藝方面具有獨特的優勢。 核心優勢三 4.3應用展示 目前史河科技產品應用主要集中在船舶、化工、火電、建筑四大市場，以技術模塊化、標桿運營化、市場全球化這“三板斧”打破特種機器人目前落地困難、銷量少、需求不一、場景繁多的“痛病”！

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