机器人行业观察之特种机器人

一、 特种机器人概述

特种机器人是应用于专业领域，一般由经专门培训的人员进行操作或使用的，可以辅助或代替人进行特种作业的机器人。这类机器人可以在极端环境下（如高温、高压、辐射等）替代人类完成任务，保障人员安全和提高工作效率。

按照应用场景，可以分为军用机器人、应急救援机器人、巡检机器人、建筑机器人、深海作业机器人、航空航天机器人、矿山作业机器人、核工业机器人等；按照应用空间，又可分为地面机器人、地下机器人、水面机器人、水下机器人、空中机器人、空间机器人等；按照机械结构，可分为轮式、履带式、足腿式、蠕动式、飞行式、潜游式、固定式、喷射式、穿戴式、复合式。

从市场规模看，近几年，全球特种机器人产业快速发展，根据相关数据显示，2023年全球特种机器人市场规模约120亿美元，年均复合增长率为18%；我国特种机器人市场规模约27亿美元, 年均复合增长率约24%。相比全球，我国特种机器人市场增长更快，具有广阔的发展前景。

从应用情况看，早期特种机器人一般用于军用和核工业领域，而随着技术的不断进步逐渐步入民用领域。近年来，全球特种机器人整机性能持续提升，应用的深度和广度不断扩大，已能胜任自主巡检、人员跟踪、地形探测、行为预测等复杂工作，在深海探测、空间探索、紧急救援、防恐防暴等诸多领域释放出更大价值。

从技术趋势看，由于特种机器人通常需要在人类无法直接介入或高危的环境中执行任务，因此特种机器人在适应环境、感知能力和执行能力这三个方面有更高的要求。仿生新材料、刚柔耦合结构、柔性传感器等新型技术推动特种机器人的外在形态和制动方式进步，使其具有更高的环境适应性；机器视觉、激光雷达、多维数据融合等技术的发展使特种机器人感知能力大幅提升，能更全面地感知复杂环境以规避风险；同时强化学习、模型预测控制、自适应控制等人工智能控制算法技术赋予了特种机器人高执行能力。

图1 工业、服务和特种机器人性能对比

国外特征机器人相关技术研究起步很早，在传感器硬件、伺服电机、控制算法等方面具有传统技术优势，美国、英国等发达国家占据了国际特种机器人市场主要份额，在行业内逐步形成众多具有广泛的知名度和影响力的领军者，例如美国的波士顿动力、iRobot、通用动力，加拿大的Clearpath，英国的QinetiQ、Oxford，瑞典的Brokk等。美国在特种机器人领域全球领先，将特种机器人列为未来15年重要发展对象，并重点用于加强国防力量。美国国防部2018年提出《无人系统综合路线图（2017-2042）》，明确了特种无人系统未来发展的关键技术主题、阶段重点和目标。同时，全球各机构联合开发新产品成为新常态，相关科研机构及企业加大对极端环境、救灾抢险等特种机器人的研发支持力度，例如，英国机器人系统集成商Derkia 与日本川崎公司合作，围绕安全分拣核废料开展联合开发；德国马克斯·普朗克研究所和瑞士苏黎世联邦理工学院科学家联合研制小型四足机器人 SpaceBok，计划将其应用于火星探索。

图2 《无人系统综合路线图（2017-2042）》宣传照

从国内看，我国“863”计划智能机器⼈主题前15年⼯作的重点之⼀就是发展我国的特种机器⼈技术；随后在《“十四五”应急救援力量建设规划》《“十四五”机器人产业发展规划》中均有提到要开展特种机器人的研发和应用，并在2023年1月发布的《“机器人+”应用行动实施方案》中提出到2025年显著提升特种机器人在行业应用的深度和广度。在政策鼓励下，我国近年来特种机器人产业发展良好，创新企业加快自主研发进程，产品的功能性与可靠性大幅提升，在某些方面技术达到了国际先进水平。数据显示，2017-2022年，我国特种机器人专利申请量由不足100项提升至153项。目前，在无人机、水下机器人等领域我国具有明显优势，已初步形成了特种无人机、四足巡检机器人、水下机器人、搜救/排爆机器人、爬壁机器人等系列产品。代表企业有深之蓝、云深处、宇树科技、中信重工、亿嘉和、景业智能、晶品科技、赛为智能等。 

二、 特种机器人分类

2.1 军用机器人

军用机器人指用于军事领域的，能够进行前线作战、情报收集、物资运输等行动的机器人。战争模式的发展趋势是向着无人化和智能化方向发展，而军用机器人作为无人化武器装备的重点发展方向，是现代信息化战争中不可或缺的基本单元，其在军事领域的发展和作用将不可限量。美国发表的《21世纪战争技术》一文中提出：“20世纪地面作战的核心武器是坦克，21世纪则很可能是军用机器人”。 

军用机器人的起源要追溯到上世纪60年代，1966年，美国海军使用机器人“科沃”潜至海底成功打捞起一枚失落的氢弹，在当时引起轰动。自此各国看到机器人在国防军事上的应用价值，纷纷开始投入研发并积极开展实验应用，在之后，各类军用机器人先后研制成功，功能涵盖情报侦察、巷战、反坦克、巡逻守卫、布雷排雷、装弹运输、假目标诱饵、电子干扰、移动式通信中继站、爆破攻坚、物资装运、抢险救援及装备维修等各个方面。

按功能划分，主要可以分为作战支援、信息侦察、排爆排雷和后勤保障四大类。从外形看，主要有无人机、无人战斗机、地面无人作战车、四足/六足机器人、无人潜艇、固定式哨兵机器人、投掷型机器人等等。

美国魔爪系列机器人高28cm，长86.4cm，重约 36 kg，配备有摄像头、麦克风以及各类传感器，属于小型地面无人作战车，装备有机械臂，机械臂可以承载45千克的有效载荷，用于救援、侦察及处理爆炸物，同时装备机枪或火箭发射器，士兵通过遥控对敌人进行射击。续航方面，魔爪机器人在待机状态下可以连续使用 1 周。2005 年 3 月，美国陆军首次在伊拉克战场上部署了 18 台魔爪机器人。 

图3 魔爪机器人

美国XQ-58A女武神隐身无人机基于美国空军实验室“低成本可消耗飞行器技术”计划研制，长8.8米，翼展6.7米，最大起飞重量2.7吨，最大航速0.72马赫，最大航程4800千米，最大作战半径2500千米，采用内置弹舱，具备一定的隐身性能。其除了具备相对更好的性能和隐身效果，且价格低廉，200万美元的价格仅为F-35战斗机价格的1/40。2019年3月首飞，并在之后与 F-35 和 F-22 战机进行人机协同作战，2021 年 4 月该隐身无人机成功投放 ALTIUS-600 小型无人机系统，进一步提升了其有人无人协同作战能力，2023年3月首次完成了3小时的全自主飞行。

图4  XQ-58A女武神隐身无人机

美国波士顿动力开发的BigDog为四足式机器人，高1.1米，重109kg，全身共20个自由度，能负载150kg的物品，行走速度可达11km/h，并能爬35°的坡，全身布满了50个传感器，在阿富汗战争中在曾被派往阿富汗山区，负责跟随部队进行物资运送工作。在BigDog的基础上波士顿动力研发了LS3机器人，体积更为庞大，负载能力更强，行动也更加灵活。

图5 BigDog

         图6 LS3          

美国通用机器人公司开发的Pitbull-3 是半自主哨兵机器人，重70 公斤，可放置在车辆等其他搭载平台上，具有实时“反无人机跟踪和射击”算法，可以在5 公里范围内检测到无人机，并在移动时从500 米或悬停时从800 米将其击落。

图7 Pitbull-3反无人机机器人

俄罗斯的ULan-6扫雷机器人长4.45m，宽2.01m，高1.49m，开路宽度1.72m，未悬挂扫雷工具时，全重约5吨，可连续工作16小时，配备五种不同的扫雷装置，可远程操控进行地雷检测，每小时可清除约2000平方米的雷区，相当于一个工兵排的工作量。同时采用8~10毫米厚的装甲板和抗冲击设计，可承受60公斤TNT爆炸，已在俄军军中部署并在叙利亚地区与俄乌冲突地区进行了实际应用。

图8 Ulan-6扫雷机器人

Throwbot 2.0 是美国公司ReconRobotics 制造的可投掷机器人，重0.6 公斤，在被投掷后通过两侧的轮子进行移动，用于侦察信息并实时传递情况。同时采用抗冲击设计和防水设计，能承受高达9 m的混凝土反复跌落，可在室外和室内同时进行工作，目前已被美国佛罗里达州的一个空军基地采用。

图9  Throwbot 2 0投掷型机器人 

美国在军用机器人领域的技术研究成果全球领先，先后出台了《无人系统自主路线图》《美国地面无人系统路线图》《美国陆军机器人与自主系统战略》等一系列军用机器人相关发展规划，详细规划了军用机器人发展的近中远期目标，预计到2030 年，可以实现机器人和人的智能编队和协同行动。美国军方列入研究的各类军用机器人有100 多种, 小型和大型兼有，已装备魔爪系列作战机器人、PackBot系列后勤机器人、XT系列侦察机器人等地面无人装备总数超过1万套，并已在伊拉克、阿富汗战场进行了较广泛应用。

俄罗斯先后发布《2025年前未来军用机器人技术装备研发专项纲要》《未来俄军用机器人应用构想》等文件，推动军用机器人机制的建立，并计划到2025年将以无人机系统、机器人技术和数型单兵系统为代表的人工智能武器在俄军中的装配比重突破30%。俄罗斯军用机器人以重型地面作战车为主，已研制Ulan-6扫雷机器人、Ulan-9作战机器人、Platforma-M作战机器人、 Marker系列作战机器人、Gnom 两栖机器人等，上述机器人已成功列装俄军各兵种，其中Ulan系列、Platforma系列、Marker系列等均被在叙利亚及俄乌冲突地区进行了使用。 

图10 Marker作战机器人

图11  Ulan-9作战机器人

近年来，我国加快军用机器人领域的研发步伐，发展速度很快。例如在军用无人机战斗机领域，我国已研制出了多种型号的察打一体化无人机，如航天科技十一院的“彩虹”系列、中航工业成飞“翼龙”系列、中航工业贵航的“鹞鹰”等。这些无人机在侦察、打击、情报收集等方面发挥着重要作用，由于出色的性能和低廉的价格，很受中东国家欢迎。

图12 彩虹系列无人机

图13  翼龙系列无人机

总体来看，目前各国所在使用的军用机器人基本还是以遥控和半自主为主，全自主的机器人很少，主要原因在于其安全性。美国2018年发生了机器人在自主模式下向士兵射击的事件，致使美国对军用机器人研究路线的选择更为谨慎。国际上一直对全自主作战机器人的研究和应用持保留意见，在2015 年的国际人工智能联合会议中，包括史蒂芬·霍金和马斯克在内的超过一千名机器人领域的研究者以及知名人士共同签署了一份公开信，呼吁联合国应通过禁令禁止开发与使用自主武器。尽管如此，仍有迹象表明部分现代战场中已有全自主作战机器人被投入使用。

2 2 巡检机器人

巡检作业不仅重复性高，且作业空间存在大量高温、高压、高噪音的恶劣环境，安全风险高，而受经验、环境等影响，⼈⼯巡视区域范围受限，存在一定视野盲区，漏检率较⾼，这些因素使得机器人在巡检场景的需求度非常高。相比于传统人工巡检，巡检机器人可实现全天候定点巡检，视域范围⼤甚至⽆死⻆，并可实时地将设备现场温度、影像等上传至管理中⼼，便于管理员对系统设备情况进⾏掌控并及时处理问题。 

巡检机器人主要替代人工开展表计识读、温度测量、缺陷跟踪等工作，目前主要应用于电力、石化、煤矿等具有特殊⼯作环境、有较⼤需求和⽀付能⼒的场景。其中，电力巡检是应用最广泛的场景，根据相关数据显示，2022年中国智能巡检机器人市场规模达到了15.66亿元，其中电力智能巡检机器人规模14.88亿元，占比95%。

根据⼯作地点，通常可以将其分为陆地、空中及⽔下三种，以陆地和空中最为常见，水下巡检机器人应用还较少。陆地巡航机器⼈⼜可以分为⽆轨智能巡检机器⼈和有轨智能巡检机器⼈，其主要应⽤于电⼒、⽯化、轨道交通等领域；空中巡航机器⼈指巡航⽆⼈机，主要应⽤于电⼒输电线路巡检、森林防控巡检、交通应急巡检等；⽔下巡检机器⼈目前种类较少。

国外巡检机器⼈发展起步于20世纪80年代，主要集中在日本、美国、加拿大等国家。日本在1988年研发了⼀款巡线机器⼈，在接触到塔架时能模拟人类攀爬行为，通过机械臂和地线连接形成导轨，从而移动并能跨越障碍。发展至今，日本先后研制出设备巡检、地下管道监控、涡轮叶片巡检以及配电线路检修等不同场景的巡检机器人。美国研发的变电站检测机器人，能够实现电力设备自动红外检测，并使用检测天线定位局部放电位置。加拿大的LineRange机器人，重50公斤，能够吊在735千伏特高压电线上的设备，其通过电池驱动的橡胶滚轮在高压线上运动。国外较为知名的企业有美国的GE Inspection、Honeybee、AETOS、FMC、Technologies，丹麦的Universal等。

图14 日本1988年研制的巡线机器人

图15  加拿大LineRange机器人

我国在《关于促进智能电⽹发展的指导意⻅》中提出要提高电⽹智能化⽔平，并在之后的十三五、十四五国民经济规划中均有提及。在国家智能电网战略的推动下，我国电力巡检机器人发展快速，市场规模快速增长，通过智能机器⼈对输电线路、变电站/换流站、配电站（所）及电缆通道实现全⾯的⽆⼈化运维已经成为我国智能电⽹的发展趋势。2013年，智能巡检机器人首次进入国网总公司集中采购目录，南网也首次在变电站使用智能巡检机器人。2016年以前，国⽹浙江电⼒在变电站部署巡检机器⼈只有84台，而近年来国⽹浙江电⼒进⼀步加⼤了推⼴⼒度，截至2022年共部署应⽤智能巡检机器⼈1,400余台，渗透率大幅提升。

目前来看，我国在巡检机器人领域已经形成了了一批龙头企业，并具有一定的技术壁垒。电力行业的代表企业主要有国网智能科技、申昊科技、亿嘉和、国自机器人、云深处、市朗驰欣创等，煤矿/石化行业代表企业主要有中信重工、七腾科技、戴德测控、安森智能、天创科技等。从区域分布来看，各⼚商分布较为分散，长三角、珠三角、京津冀及东北地区均有布局，在数量上浙江、江苏、⼴东等东部沿海地区具备⼀定优势。从区域布局来看，国⽹智能以⼭东地区为核⼼，在北京、天津及东北等周边辐射城市具有较⾼市占率；国⾃机器⼈在浙江、申昊科技在沪浙、亿嘉和在江苏应用较多。

轮式巡检机器人是应用最为广泛的巡检机器人类型，主要应用于室内巡检及平坦地面的室外巡检居多。七腾科技防爆化工轮式巡检机器人重350kg，规格为1420mm×820mm×1055mm，速度在0-1.5m/s之间，爬坡角度可达25°，通过SLAM激光进行导航定位，能进行表记识别读数、跑冒滴漏监测、无人自主巡检、智能避障、设备红外测温、环境气体监测等工作，已在中⽯油、中⽯化等⽯化企业取得了⼴泛应⽤。浙大湖州研究院研制的CubeTrack巡检机器人采用变形履带结构，其特有的三角形变形结构，可在维持较小体积的状态下，顺利通过狭窄区域以及障碍路面，包括沙石瓦砾、50cm沟壑、40°斜坡、上下楼梯以及积水坑洼地面等。

图16 七腾科技防爆化工巡检机器人

图17 CubeTrack变形履带机器人

相比于轮式机器人，四足机器人运动性能出色，爬坡、越障能力都更为优秀，可适应更复杂的地面环境，在室外巡检中应用更多。例如浙江大学科研团队孵化的云深处公司绝影X30四足机器人重56kg，站立尺寸为1000mm*585mm*470mm，最大速度可达4m/s，最大爬坡角度可达45°，极限负载可达40kg，可跨越20cm以上的障碍物，能在-20℃至55℃环境下作业，适应草地、沙地、雪地、碎⽯、积⽔等复杂环境，并通过融合感知技术进行夜间作业。目前绝影X30已在湖南、安徽、广东、福建等26省市的变电站、电缆隧道进行应用部署，并在新加坡，韩国等国家进行多个项目推进。