机器人界“蜘蛛侠”是怎样炼成的？

赛道专精特新，应用场景高危、工作环境会对人身健康或安全形成威胁，使用人力效率过低，急切渴望实现自动化作业，相关自动化设备研发技术门槛却又比较高，少有企业涉足。

这已成为我国大多数特种行业设备“清洁保养”的现状。

 

▍自动化“清洁保养”成为新刚需

近年来，随我国经济飞速发展和创新驱动发展战略有效推进，以工业、农业、服务业为主导的产业结构转型升级日渐加速，然而与工业领域“奔逸绝尘”的速度相比，石油、化工、电力、天然气等重点行业的高危作业自动化、智能化升级进展却并不顺利。

例如船舶行业远洋船舶的巡检、养护，石化行业存放石油、天然气、化工品等资源的油气储罐清洁保养，电力行业风力发电装置重要组成部分的风电塔筒除锈养护、核电站应急设备的巡逻检查……

许多高危特种工作都急需实现自动化、智能化作业的机器人设备，以替代人工作业，提升作业效率，实现作业方式转型升级。

机器人行业近年来虽发展迅速，但从事大型钢制立面结构作业的机器人却并不常见。

为了究其背后缘由，机器人大讲堂特邀到特种机器人企业彼合彼方研发经理张轩博士，他认为，该行业发展缓慢的原因不过以下三点：

其一，需求市场占据赛道多、作业方式多样、作业要求分散。相关机器人企业若想进入该赛道，其产品设计必须具有广泛通用性，能适应不同行业、切换不同作业“工种”，具有良好产品通用性。

其二，作业设备技术含量高，难以入门。目前对相关机器人产品呼声较高的行业，其高危特种作业场景大多是立面结构。尽管我国地面机器人体系已发展成熟，从地面发展到立面却并非看上去那么简单，虽说机构作用原理相似，但产品的整体设计与具体实施仍存在很多挑战和困难。

其三，特种行业“入市”门槛高，作业离散周期长。石油、化工、电力等特种行业多存在生产线长、涉及面广、作业离散周期长、作业环境高危的特点，其对作业设备的选择和要求，均异常谨慎和严格。

▍立面机器人到底“难”在哪？

地面机器人与立面机器人的设计研发有哪些区别？主要用于高危特种工作的立面机器人的“难点”又到底在哪？彼合彼方研发经理张轩博士对机器人大讲堂提到，主要有以下几个难点需要攻克：

首先，在“行走”方式上，地面机器人无论是腿式、轮式、履带式亦或是其他形态均可，其“腿足”的不同形态仅对其地形适应能力产生影响。而立面作业机器人若要在垂直或半垂直等环境实现运动自由，必须掌握基础行走技能——爬壁。

与影视作品中的蜘蛛侠需依靠蛛丝发射器发射蛛丝吸附在建筑物上以辅助实现在楼宇之间自由移动类似，立面机器人若要实现爬壁也必须依靠吸附装置。立面作业机器人吸附装置不仅要保证机器人本体在立面行走，还必须承担加载在机器人本体上的各种作业模块的重量。

永磁吸附技术便是为解决此问题而生。对立面机器人而言，永磁吸附技术的高低直接影响到其立面作业的稳定性。

彼合彼方研发经理张轩博士介绍到：“若要实现机器人在立面结构的‘正常行走’，通过简单的堆积磁铁其实也可以实现，但简单的磁铁数量叠加在给予机器人吸附力的同时，也会增加机器人本体的重量，本体重量加重则又需要增加更多磁铁以增大吸附力…… 如此循环往复，无法从根本上解决这个问题。”

这便涉及到负载自重比这个概念，即在保障机器人正常作业前提下，机器人所承受负载与自重的比值。负载自重比越大的机器人，吸附越稳定越安全。而永磁吸附技术的高低便决定了机器人负载自动比的高低。对企业而言，使用轻重量、小体积磁铁实现高性能吸附能力涉及到介质传导机制建立、磁场分布、静态磁场分析、磁感应强度分析、智能机利用率规划方法等，存在较高技术门槛。

其次是移动构型的适应能力。相较地面机器人，立面机器人对机体构型有着更为严格的要求。

在立面机器人最为常用的油气储罐、船舶、电力运维等应用场景中，需要面对如球形、圆柱形、椭圆形等不同曲度的不同设备，其作业面的曲面半径小的可能只有一两米，大的则有可能达到50-60米，这就要求机器人的构造必须具有足够强的适应能力，可应对不同曲度的曲面。

 

此外，立面机器人在曲面表面进行作业时，还要面对结块、锈包、焊缝等不同障碍，如何在保障机器人拥有足够优秀越障能力的同时实现作业模块贴合，维持低控制难度和高工作效率也需要在机器人研发过程中进行不断实验。

最后，高危特种作业对立面机器人的防护也提出了比较高的要求。

立面机器人作为特种机器人中主要从事立面钢制结构防腐巡检等高危特种作业的主要品类之一，其作业环境大多极度恶劣，对作业机器人存在防水、防尘、防爆、耐腐蚀、耐高温、耐辐射等多样化要求。

作业环境的多样化高要求对机器人产品的研发提出了挑战，同时，面向不同行业的不同作业环境要求，企业研发团队必须拥有足够的技术累积和行业经验以灵活应对不同客户的“定制化”需求。

综合以上几大难点，绝大部分想要涉足高危特种作业机器人研发的企业在“入门”时就被其高难度所“劝退”。

▍成立不到两年，订单接到“手软”

而来自天津的一家特种机器人企业，虽成立仅不到两年，却已面向石化、电力、船舶、桥梁等多行业的大型设备除锈、喷漆、清洁、检测等高危特种作业推出防腐作业机器人、随船作业机器人、小型机器人等多类多款产品，并与中石油、中核集团、中船重工、大唐风电等多家龙头企业建立合作关系。

 

在高危特种作业领域机器人设备研发普遍难度大、进度慢的大背景下，成立不到两年的彼合彼方是如何做到如此高产？又为何能与诸多龙头企业建立合作？

彼合彼方产品研发的高效高产与其背后的强大研发团队密不可分。

据了解，彼合彼方公司研发团队成员多来自河北工业大学“特殊环境下服役机器人”创新团队，该团队长期致力于国家特殊服役环境下机器人作业急需的重要应用基础理论新方法和共性关键技术及其机器人装备的研究。

该团队研发以多构型移动机构为起点逐步形成地面一体化多方位智能巡检体系，随着地面系统不断完善，研发团队的研究重点也逐渐聚焦到研发前沿发展趋势——立面机器人研发。从地面到立面，从二维到三维，彼合彼方研发团队在地面机器人与立面机器人领域都积累了深厚的研发经验与技术成果。

彼合彼方的特种机器人产品便是在团队研发经验与技术成果的基础上，针对现有市场需求和不同场景需求进行开发的，进而形成了如今的全方位多功能产品体系。

▍大单“不断”背后的产品“硬”实力

彼合彼方与客户进行合作时定制化“改造”时间短、响应快的优势非常明显。针对领域各异的多样作业，彼合彼方是如何做到“快速响应”的呢？

 

对此，彼合彼方研发经理张轩博士表示：“一方面是因为我们产品模块化的设计得以实现更多功能和更强适应性，更深层次则是源于我们在技术方面的领先。”

在“爬壁”技术方面，彼合彼方在永磁吸附技术和吸附模块的提升上投入了大量精力，经过多年积累和产品迭代，最终实现了负载自重比高达2:1的傲人成绩，相较同类产品1:1的负载自重比，彼合彼方在技术上实现了巨大进步。

 

在机器人本体方面，彼合彼方的产品经过多次实验和更新迭代已基本成熟，在绝大多数应用中，其机器人本体均无需进行二次设计，只需在作业工艺上与客户进行沟通交流进行改进设计。

 

在产品设计方面，彼合彼方所有产品设计均采用模块化设计方案，将整个机械结构拆解成不同的模块分别进行设计，虽然这为产品研发带来了较大难度，但把整个机器人化整为零、化繁为简的方式令团队在面向不同项目时，可将客户多样化需求拆解开来，各个击破，帮助团队轻松应对客户复杂多样的各种需求，更好抓住问题本质，快速给出解决方案。

 

同时，将机器人模块化的设计也为产品维修和工作效率提升提供了极大助力。在实际施工过程中，有效提高响应速度，缩短维修时间。

 

在产品实力提升方面，彼合彼方多措并举，通过将清洁、除锈、喷漆、打磨、抛光等一系列作业工艺进行模块化设计，实现机器人代替人工完成更多“工种”的工作；积累和摸索不同工艺参数，搭建工艺数据库；小型机器人实现小型化、轻量化、便携化，力争实现自家产品功能全面化、作业高效化和作业对象多元化。

 

▍结语

随着中国经济转型升级程度逐渐加深，以爬壁机器人为代表的特种机器人作为代替人类危险作业的主力军，也必将迎来春天。

 

但就目前行业发展而言，由于技术门槛高等原因，该领域涉足企业数量仍非常有限，许多企业或高校团队或缺乏技术、或缺乏产业化经验，仍处在观望阶段，缺乏入局的勇气。彼合彼方作为学校团队科研成果产业化转化的优秀案例，无疑给予了那些尚处徘徊阶段的企业和团队以入局勇气。

 

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