機器人何時才能取代高空「蜘蛛人」？
來源 | Founder Park
高空機器人正在逐步取代高空作業的「蜘蛛人」。
與我們所熟知的服務於人類的服務機器人，以及用於生產環境的工業機器人不同，特種機器人自誕生起就是為了將人類從各類高風險環境中解放出來。常見的特種機器人包括水下機器人、地面移動機器人、高空機器人等，而采用高空機器人替代人類完成高空作業也是目前降低高空作業風險、提升效率的壹種有效方法。
目前高空機器人已應用於工業、農業和林業等眾多領域。國內代表企業史河機器人則是專註於船舶除銹、化工罐防腐、火電鍋爐檢測和建築外墻清洗等場景，並提供專業的成套化解決方案，在船舶除銹的市場中目前已占據國內份額第壹。
許華旸博士做客 Founder Park by 極客公園的「Rebuild」欄目 | 來源：直播截圖
高空機器人的核心技術與工業機器人有何區別？場景落地中如何實現解決方案的標準化？以及，高空機器人面臨的技術難題是什麽？
5 月 31 日，史河機器人的創始人 & CEO 許華旸博士做客極客公園的「Rebuild」直播間，暢談高空機器人的技術現狀與未來市場前景。
01
材料工藝的進步
讓高空機器人
成為現實
Founder Park：立面機器人主要是解決什麽問題的？
許華旸：立面機器人，顧名思義就是立面上行走的機器人，壹般也稱為高空機器人。應用場景非常廣闊。常見的是城市裏的樓宇外墻，可以取代大家經常看到的「蜘蛛人」進行作業。除了這種民用場景外，工業上也有比較豐富的高空作業場景：船舶除銹、罐體防腐、鍋爐檢測，還有橋梁巡檢等。
我們把立面機器人的功能分為造、檢、修三個環節。造就是像造船廠、罐體制造廠進行焊接、打磨的應用；檢就是像鍋爐、橋梁這種檢測、探傷的應用；修就是除銹、噴漆以及外墻清洗的應用等。簡而言之，立面機器人可以在高空立面的場景下，從事造、檢、修三部分環節的作業中替代傳統的人工。
Founder Park：常見的無人機是通過多旋翼來對抗重力，高空機器人是如何解決這個問題的呢？
許華旸：立面場景下作業的高空機器人和無人機還是有壹些差異的，無人機主要搭載的是檢測設備，進行宏觀檢測，比如航拍或者測繪，當然也可以進行壹些非接觸式的作業，像噴灑農藥的無人機。而高空機器人的負載能力更強，可以進行抵近觀察的應用，可搭載 EMAT 電磁超聲測厚儀，甚至是可搭載渦流測厚儀等進行非常精準的檢測。除銹對負載能力的要求非常高，既要背負超高壓水的管路和線纜，還要承受超高壓水射流的反沖力，大概是幾十公斤到上百公斤的範圍。負載能力更強、定位精度更高、續航能力更長是高空機器人和無人機的主要差別。
如何抵抗重力呢，不同場景下原理也不壹樣，主流的就是工業場景裏采用磁吸附，非鋼鐵表面采用負壓吸附。
工業裏常用的材料是鋼鐵，針對鋼鐵就可以用磁吸的方式，這樣就可以在鋼鐵表面實現吸附。不過難點是吸力、重力和驅動力要實現很好的匹配，吸力太大就不能靈活運用，而吸力太小又容易打滑和墜機。
如果是非鋼鐵的表面，比如樓宇外墻是玻璃幕墻式的，可以用負壓吸附的方式解決。針對管狀或者柱狀物體，可以借助摩擦力，利用環抱或者內撐的方式產生摩擦力，這樣可以直接沿著管道爬動。
Founder Park：聽起來又要能對抗重力，又要能有效負重和靈活移動，到底是什麽樣的技術進步，讓這件事比較容易實現呢？
許華旸：歸根結底是靜力學和動力學的問題。如果機器人是在壹個純平直的鋼板上，背負固定的載荷，就是壹個靜力學的問題。這樣的爬壁機器人 20 年前就有，移動底盤搭載壹塊磁鐵就可以在比較平直的鋼板上行走。
但是，在工業場景和民用場景裏，這樣理想的環境是不存在的。真正的挑戰是可以適應曲面，這樣才能在船的各個位置爬動、跨越焊縫等。尤其是火電鍋爐有復雜的水冷壁結構，是壹種不平的瓦楞壁面，必須要有磁場實時感知和適應能力。這都是多年前的爬壁機器人所不具備的。
核心的技術主要是兩點：釹鐵硼材料的進步，尤其是磁能密度的增加，磁能密度越高，同樣重量的磁鐵可以產生更強的磁吸力，就可以帶來更大的安全余量。安全余量大了，就可以保證它的載荷能力。隨著近些年稀土材料產業的進步，帶來了釹鐵硼材料磁能密度的提升。釹鐵硼材料屬於稀土材料，中國又是全世界 90% 的稀土材料的出口國，在永磁材料的技術上我們是全世界領先的。
第二個是驅動電機功率密度的增加，功率密度越大意味著在比較緊湊的體積或是重量的情況下有更多的驅動力，也意味著有了更好的安全余量。
這兩者是在關鍵材料與關鍵部件上的核心創新。結合這兩者的突破創新，爬壁機器人才能夠飛檐走壁，真正在復雜的工業應用場景裏具備更好的適應性。
02
創業目標是成為
高空機器人賽道的「大疆」
Founder Park：是什麽原因促使妳有了創業的想法？
許華旸：我本科是中南大學機械工程學院，2011 年進入清華大學機械工程系就讀碩士、博士和博後。
有創業的想法是因為 2014 年讀到了《喬布斯傳》。喬布斯從壹個壹窮二白的小夥子變成全世界最有價值公司的 CEO，壹個人從壹無所有，憑借自己的拼搏，通過創業這條路實現這樣的價值，對整個世界的 PC、智能手機、動畫等產業帶來了重大的變革和影響。喬布斯的經歷激發了我創業的激情和動力，萌生了創業的想法。
2015 年博士就讀期間，和同學壹起嘗試著智能硬件的創業。項目啟動了壹個多月後，拿到了啟迪的投資。我們很快就從 Demo 推進到了工程樣機，壹年後項目被收購。2017 年我博士畢業後，開始全職創業，當時就定位了高空機器人的方向。
Founder Park：當時為什麽會選擇高空機器人這個領域
許華旸：因為專業的緣故，壹直對機器人有關註。我也喜歡讀科幻小說，尤其是阿西莫夫的機器人系列對我影響很深。阿西莫夫描繪的機器人的願景是什麽樣的呢？每個家庭有很多機器人，幫忙端茶倒水、洗衣做飯，工作的過程中作為貼身助手，出差的時候又可以作為商務助理，是壹種機器人和人類***生的狀態。
奇點理論認為隨著人類社會的信息和技術的發展，人工智能的性能會呈指數性的發展，很多觀點認為強人工智能會在 2050 年出現。我很期待強人工智能時代的到來，到時候機器人可以走進千家萬戶，賦能百業千行。這個產業可能比汽車和手機產業還要龐大。
對於從事機器人這個大方向我是非常堅定的。但是要找壹個務實壹點的切入點，在行業內逐步做品牌、資金和人才的積累與沈澱。
我個人對移動機器人非常有興趣，移動相當於是有雙腿的，加上壹些執行設備就相當於有手了，加上感知系統就有了眼耳鼻舌，然後再有大腦和小腦，就具備人的雛形了。所以移動是很重要的壹個特點，我們當時就想找移動機器人的應用場景。
感性上，我們找創業機會的時候是五壹到十壹的期間，正好是外墻清洗的高峰期，每天都能看到蜘蛛人在墻上作業，當時就覺得這麽傳統、低效的工種不應該再存在了，我們還在北京找了十幾家蜘蛛人工程隊的老板和工人去聊，發現大家對機器人的產品也很期待，因為行業內招工也越來越難了，成本也越來越高。
清理外墻的「蜘蛛人」| 來源：Unsplash
理性上考慮，不能只做這壹個場景。過去的移動機器人都在做海、陸、空三個場景，我們覺得外墻清洗這個場景屬於壹個非常獨立的、全新的機會。當時就定位叫立面場景，整個品類叫高空機器人。我們覺得這裏應該還有很多其他的應用機會，所以就去工業行業了解情況。很快，我們發現風電場景很合適，就進行了第壹次嘗試，但是後來並沒有走通。不過通過這樣的嘗試，發現船舶、化工、能源、橋梁等其他場景裏對機器人還是有需求的，有痛點和剛需。
結合這樣的感性的認識和理性的分析，我們選擇了高空機器人作為創業的切入點。我們希望在這個賽道堅定地做上 8 到 10 年，成為全球範圍內高空機器人賽道的「大疆」。
Founder Park：關於立面機器人，妳們當時有進行過市場研究或者分析國外的技術產業現狀嗎？
許華旸：最簡單的方法就是去分析國內外的競品，可以研究他們的技術路線以及瞄準的行業和客戶。分析的第壹家公司叫 ICM，International Climbing Machine，他們的第壹個場景就是風電。我們也模仿著去做了風電的方向。此外還研究了 Gecko Robotics 的火電檢測機器人，GE 旗下的 Inspection Robotics 公司做化工罐檢測探傷，荷蘭 VertiDrive 公司的船舶除銹機器人等，我們將這些按照行業和功能分類，從中找出在國內比較容易落地的方向。
最早開始做風電塔筒的清洗，然後第二個項目是管道爬壁機器人，第三個是高鐵站立柱的場景，第四個才開始嘗試船舶的除銹。除了我們自身的主動探索之外，經歷了壹些年的沈澱，也有壹些項目主動地找到了我們，因為早期為了生存也接需求定制單，比如石家莊的東方熱力，包括浙江省特檢院也是我們的客戶。
就這樣，通過我們自己的判斷，加上被動的接單，形成了漏鬥最上層的基礎需求池。然後，在做的過程中，再去判斷它的技術可行性和商業價值，之後再進壹步產品化，然後持續壹代代打磨和叠代。
Founder Park：妳們是如何把早期的壹些單個項目產品化落地呢？
許華旸：我們落地的第壹個產品是船舶除銹，實現過程花了差不多兩年半的時間。
最早聽到這個需求是從機器人行業的壹位前輩那裏。他從客戶那遇到這樣的需求，覺得技術方面難度很大，就建議我們來做。全世界有十幾萬艘船，除銹需求很大。但是技術難度也大，船體很光滑，還要搭載超高壓水管，機器人容易掉下來。
我們先是做了競品調研，發現國外有這個方向的機器人，覺得這個方案基本可行。國內也有高校之前做過課題研究，有壹些技術資料。在他們的的技術路線的基礎上，我們又進壹步提升了磁鐵的磁吸密度，還有曲面的適應性。因為之前做過風電的項目，就把曲面適應的技術在這裏用上了。超高壓除銹找了壹些朋友了解，上遊的關鍵配套也逐步搭建起來了。
很快就做出了樣機，用鐵板測試後發現具有可行性，就開始找早期的天使客戶。這個過程中主要是找那些有意願嘗鮮的創新型客戶。因為樣機的效果往往不會太好。通過熟人推薦找到了兩家客戶，分別在江陰和舟山。在這兩個現場不斷測試，至少有實際場景了，整個研發的鏈條閉環，可以進行叠代了。
2019 年底，開始第壹次小批量。應用量上去後，產品問題暴露地更充分了，及時做了小版本的叠代。V20 版本進行了小批量，壹致性和穩定性具備商業化的條件了，我們選擇采用服務運營的方式，讓廠商能充分使用。用了半年左右，我們的修船量突破 100 艘。突破 100 個作業對象，基本證明了商業和技術的可行性。
船舶除銹作業 | 來源：史河機器人
V30 版本出來後，穩定性更好了，易用性也大幅提升，增加了輔助駕駛的功能：如自動巡航、壹鍵換道、自動避障等功能，這樣新手也可以很快上手了，具備了大規模推廣的潛力。後續，我們就開始在青島、寧波、廣州、深圳等開設銷售網點，大規模推廣產品。
產品跟營銷是壹個循環更叠的過程。產品越好，就會有更廣闊的應用，也會擁有越來越多的客戶。因為有越來越多的客戶使用產品，反饋更多，那產品就會越來越好。這兩個叠代起來，有壹定的馬太效應，因為場景的壁壘很強。
Founder Park：船舶機器人的自動導航解決的是什麽問題，核心原理是？
許華旸：機器人操作分為手動遙控和自主作業兩種模式。在比較規則的曲面上可以實現自主作業，做好路徑規劃，自動導航。船尾和船首會有壹些復雜的區域，需要切換到手動操作的模式，通過傳感器配合做壹些輔助。
我們把地面移動機器人的導航技術稱作 inside-out 方案，從內往外看，相當於是人戴了眼鏡，結合周邊的點雲或者圖像數據來做自身定位的識別。立面的話，我們稱這種技術為 outside-in 的方案。機器人在墻上走著，在第三視角架設壹臺雲臺相機。因為我們的定位導航不需要絕對位置，只需要相對位置。對於壹艘船來說，在圖像裏轉換成矩形框，機器人只要從矩形框的左上角遍歷到右下角，除銹就完成了，不需要告訴絕對位置。以第三視角的圖像為主，融合機器人本身的多傳感器的數據，可以實現 3-5 cm 精度的定位，滿足現場場景的需求。
Founder Park：100 艘船的清洗工作大概是個什麽樣的工作量？
許華旸：正常壹艘 10 萬噸的貨輪，長度大概在 300 多米，過去用高空車作業，需要三四十臺同時作業，大概需要 50-60 人，夜班也需要同樣數量的人。如果換成機器人和人力***同協作的話，20 臺機器人，白天 20 人晚上 20 人，人機***同操作，大概三天三夜的時間就可以全部清洗幹凈。成本方面可以大幅節省，效率也有顯著提升。
Founder Park：妳們目前的營收規模是？
許華旸：具體數值不方便透露，不過可以簡單說下。
中國的修船行業壹年的產值大概在 300 億。外板除銹是 20-30 億/年，內艙除銹也是差不多的體量。中國頭部船廠接近 30 家，大概能占國內修船業的 80%。這其中有 20 多家都是我們已經直接或者間接服務了的。
到目前為止，我們的機器人累積作業船只超過 500 艘。在這個細分行業，應該是全世界修船量最高了。船舶除銹面積大概估計在 60 萬平以上，市場占有率肯定是第壹的。
Founder Park：船舶清洗的市場到底有多大？
許華旸：全世界 70% 以上的物流都靠海運，目前應該有 12 萬艘貨輪。疫情期間海運也更加火爆，我們認為未來 100-200 年內海運依然是性比價最高的物流方式。
在海洋中航行需要解決船板腐蝕的問題。目前，航運行業是規定每五年要進塢維修兩次。中國因為是全世界最大的進出口國，修船壹般也是靠近進出口周邊維修。每年要修全世界壹半的船，產值大概占到全世界的 20%-30%。
我們選擇船舶的場景也是有原因的，第壹是市場空間大，便於早期嘗試。第二是客戶集中度高，利於推廣。第三是場景標準化程度高，雖然有不同的船型，但是相對於機器人的尺寸來說基本上都是相似場景，技術通用性高。
03
史河機器人的技術
優勢和商業模式
Founder Park：除了進入時間較早以外，史河機器人的核心技術優勢是？
許華旸：史河過去壹直做是從工業和民用兩個場景來開發高空機器人移動平臺，核心的技術在四個方向：
第壹是磁吸附移動平臺，吸附力和驅動力之間的匹配，這個從設計分析、優化和控制過程中都很有講究。設計過程中需要考慮到極端情況下的吸附力、驅動力的情況，要能滿足這樣的場景還要有安全余量。其次是仿真的時候要能實現所見即所得，設計出來的磁吸模組和真實實驗效果相當。然後是移動控制的過程中，最好能實時感知磁吸力的變化，通過磁場的變化及時調整，這樣有更好的適應性。最終實現負載自重比大，曲面適應能力強，越障性能好。
第二是非持續的立面的基於繩索和負壓聯合驅動的立面機器人形式。和磁吸附相比，負壓存在不能越障的問題，所以把負壓和繩索結合起來，實現對玻璃幕墻、樓宇外墻的適應，其中還涉及到樓宇外墻的定位和越障等問題。
第三個核心技術是立面機器人的定位導航，就是剛才所說的 outside-in 的多傳感器融合的立面定位技術，這在整個行業內是壹枝獨秀的。我們的友商，包括國外的廠商，也都是采用純遙控操作的模式。接下來我們還打算進行壹人多機，因為有自主作業的功能，壹人可以操作多機，進壹步提高對客戶的投資回報。
第四個就是行業的工藝包，軟硬壹體的系統。載荷是它的硬件。還有壹些工藝參數的配合是軟件的部分。比如除銹的時候搭載超高壓水射流，水射流的參數就影響除銹的效率，這些又跟水機的壓強、流量，噴嘴的布局、數量、靶距等都相關，這些都需要進行多次作業積累，把規律找到，在各個場景下把機器人和水機的最高效率發揮出來。參數和規律本質上可能比硬件更重要，因為硬件很容易設計和模仿，但參數只能自己總結、沈澱。
也即是說，底盤做成系列化、標準化，這樣可以在各個場景實現通用。而底盤上的裝配，我們也有兩個思路，第壹個是優先跟行業合作夥伴合作開發。各個行業過去有傳統的手持式的工藝和相應工具，優先合作集成。如果不能跟機器人實現很好的適配，我們才考慮轉自研。
Founder Park：從技術上來說，史河機器人主要解決了哪些沒能解決的實際問題？
許華旸：還是以船舶為例，船的線性非常復雜，比如說球鼻艏的地方，曲率半徑在 1 米左右，機器人作業的時候，如果不能及時感知磁場和曲面變化，很容易墜機。
火電鍋爐的檢測 | 來源：史河機器人
復雜的場景還有火電鍋爐。燃燒器上百米高，內部是並排的管狀結構，需要清灰除膠、探傷檢測等。還有翻越折疊角的場景，磁場會突然變化。全世界只有三家可以做到火電鍋爐水冷壁場景下，實現翻越折疊角的功能。美國是 Gecko Robotics 公司和 GE 的全資子公司 Inspection Robotics ，中國就只有史河機器人壹家。
還有就是，之前提到的立面定位導航和工藝包也是全新的技術優勢。
Founder Park：樓宇外墻清洗也是妳們要解決的場景，這其中的關鍵技術是哪些？
許華旸：外墻清洗應該是高空作業賽道裏最大的壹個細分場景，僅壹二線城市的建築外墻面積大概在 100 億平左右，每年大概 200-300 億清洗費的量級，考慮到壹線城市清洗頻次更高，每年的費用是要超過 300 億的。
這個場景的難點在於太復雜了，不標準，沒法做出單款爆品。最後壹定是結合不同場景的實際情況做系列化產品。有壹系列產品部件，主要模組是通用的，這樣就有規模化的潛力。
但是也有辦法切分場景，使用 STP 的方法論做切分，我們把整個樓宇外墻切成六大類，第壹類是最簡單的純玻璃幕墻。第二類是只有縱框的幕墻，因為只有縱框，壹列壹列，不需要越障。第三類是只有橫框的幕墻，那就橫著走，也不需要越障。前三類的劃分，主要是盡量不要越障，因為越障太難了，太低效。第四類定義為既有縱框又有橫框，這就對越障有要求。第五類是那種整體造型比較規則，但是表面會有壹些復雜的這種結構。第六類就是異形的，比如說鳥巢或者說「大褲衩」。
現在我們主要是瞄準前四類，第五類和第六類暫時不做，將來可能第五類第六類會通過給大 B 客戶做定制化專機的方式切入進去。短期我們還是先瞄準前面這種比較頭部的，存量比較大。
Founder Park：聽起來高空機器人產品是很復雜的系統，上下遊的技術和設備是采購整合的，還是妳們自己做全鏈條呢？
許華旸：很多零部件在整個產業鏈是通用的，像電機、減速器、驅動器等。專用的壹些磁鐵、超高壓水管等是專門的供應商。我們在北京市房山區有個組裝廠，主要是做檢測、組裝和測試，供應鏈還是靠上下遊的合作夥伴壹起做。
產業鏈也比較成熟，電機、減速器都是國產的，很多芯片都是通用芯片，不受貿易戰的影響。磁鐵又是中國的出口材料，也不受影響。所以整個產業鏈也是比較完備的。
Founder Park：對妳們未來的商業模式，妳們是怎麽規劃的？
許華旸：我們稱為銷售+ RaaS（Robot as a Service）模式，RaaS 是按照服務進行收費。很重要的是出海，國內客戶集中度高，就采取直銷的模式，國外更多采取渠道銷售的模式。
我們理解的海外策略，可能是全球化+本地化。全球化壹定要做，但做的人壹定是本地人。短期階段還是要以渠道的方式為主。因為在海外沒有足夠的資源，海外的友商也是銷售或者是租賃兩部分。租賃設備在海外還是比較成熟的壹個商業模式。
Founder Park：如果有充足的資本支持，妳們會按照壹個什麽樣的技術路線發展？
許華旸：第壹個是產品線的豐富，包括在各個行業的垂直壹體化的產品線。比如說船舶我們做了外板除銹，那接著要做內艙的除銹。下壹步是噴塗。做完修船去往造船滲透，接著往航運走。
能源行業像檢測外墻系列產品化的落地，這個有國外的 Gecko Robotics 的對標了，業務確定性很大，國內的火電鍋爐等也進入了後運維的市場，需求在增長。最後就是民用外墻清洗的六個場景，前四個場景盡快落地商業化。
第二個是全球化布局，我們現在是成熟壹款產品，出海壹款產品。船舶除銹機器人，化工防腐機器人在國內都經歷大概三年的打磨已經成熟，可以加速在海外的布局和擴張。
第三是 RaaS 業務在國內的業務落地，還是希望能通過大的資金快速整合，抓住相對優質的用戶，提前跟工程服務公司建立起合作關系，長期和船廠或化工廠等形成***生的生態。
這些至少還能做 6-8 年，要做系列化產品線、RaaS 業務的落地，以及全球化，要把整個高空機器人這個賽道引領起來。6-8 年後，史河希望在這個賽道成長為壹家超級獨角獸企業，成為壹家百億美金的全球化公司。
*頭圖來源：史河機器人