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。
图18 云深处绝影X30
输电线巡检机器人一般采用悬挂式设计，依靠滑轮组在输电线的地线上进行移动，实时对输电线路杆塔、绝缘子、金具以及输电线路通道全过程状态精细巡视。申昊科技的IR-TLI100输电线巡检机器人重约60kg，最大速度达1.2m/s，可作业8小时，在6级风下可正常作业，能够自主上下塔，进行绝缘子状态检测、线路缺陷检测、除冰、涂覆盖等作业。
图19 IR-TLI100输电线巡检机器人
巡检无人机多用于电力场景，在对高度较高的输电线、电力塔架、风电场等地点进行空中巡检。通过搭载了可见光、红外热成像、激光雷达高精度传感器等设备，巡检无人机能提供更高的工作效率、应急抢险水平和供电可靠率，特别是在雨雪、山洪等灾后的电力恢复抢险中扮演了不可或缺的角色。大疆无人机作为本体，在电力巡检中应用较多。国家电网成都供电公司输电运检中心研发的车载电力无人机机巢实现多机集群作业，巡检效率最高提升至现有水平4倍；针对无人机在山区中信号不佳、遮挡物多及磁场干扰的问题，广东电网公司首次将中继无人机作为应用于配网巡检作业，中继无人机作为作业无人机与地面控制点的通信传输媒介，大大增强了信号，成功完成了无信号区配网智能巡检任务。
巡检无人机的微型化、集群化也是重要趋势，浙江大学湖州研究院培育的集群式微型自主无人机能针对完全未知环境、据止条件等挑战，在超低空、密集阻挡、无规则的自然环境中实现集群飞行，而天马空地机器人则以多旋翼为主体，通过附加从动式地面移动机构，实现空/地跨域移动，完美融合了空中机器人的高机动性和地面机器人的长续航性。
图20 集群式自主无人机
图21 天马-空地机器人
图22 车载电力无人机机巢
图23 无人机巡检图像
总体来看，巡检机器人硬性需求大，目前虽然集中在电力场景，但随着市场的不断成熟，在石化、煤矿、核工业等场景的应用也会不断深化。而从区域推广看，目前巡检机器人应用较多的仍是相比经济较为发达的东部省市居多，但实际上需求更强的地方是风雪多的东北地区、黄沙漫天的西北地区以及地形崎岖的西部山区高原，这些地区对机器人的环境适应性要求更高，是未来重点要研究的方向。另外，随着生成式AI、图像识别等技术的快速发展，将会加速提高巡检机器人的智能化程度，例如2023年2月南网数研院人工智能与智能软件团队就将生成式AI技术运用到电力巡检中，大大提高了缺陷发现率、缺陷识别种类和适用地域。
2 3 应急救援机器人
应急救援机器人是在安全生产和防灾减灾救灾过程中，执行监测预警、搜索救援、通信指挥、后勤保障、生产作业等任务，能够实现半自主或全自主控制，部分替代或完全替代人类工作的智能机器人。相比于人工救援，应急救援机器人具有体积小、灵活性高、越障能力强等特点，且可携带多种传感器，大幅降低救援难度，提高救援行动的成功率，减少不必要的人员伤亡，是应对极端复杂困难情况、实施高效抢险救援的利器。
《“十四五”应急体系规划》指出应急机器人是应急体系建设的重要领域之一；2024年1月应急管理部、工业和信息化部联合印发《关于加快应急机器人发展的指导意见》提出，到2025年，研发一批先进应急机器人，大幅提升科学化、专业化、精细化和智能化水平，并深化在抗洪抢险、森林草原火灾救援、地震和地质灾害救援、城市消防、应急指挥通信、安全生产六个领域的应用。
消防机器人在危险性大或者普通消防设备无法有效实施的场地，可以代替消防人员进入有毒、浓烟、高温、缺氧等高危险性灭火救援现场完成侦查检验、搜索救人、灭火控制等任务，在保护消防员安全的同时提高消防部队灭火救援能力。
日本是研究起步最早、消防机器人投入应用最多的国家。日本东北大学研究人员发明了飞行消防软管机器人“飞龙”，可在距地面2米的高度“飞行” ，通过遥控可直接接近火源来安全高效地扑灭大； “Scrum Force”机器人消防部队由空中侦察无人机、地面侦察机器人、软管展开机器人和“水炮”机器人组成，目前已在千叶县进行了部署。美国同样具有很强的实力，其新一代类人型消防机器人THOR已经试验性用于船舶消防救援工作； In Rob Tech 公司生产的消防灭火机器人 FFR-1的冷却系统可使机器人在 6000 ℃的高温环境下将自身温度保持在 600 ℃左右。此外，国外有较高知名度的还有挪威的蟒蛇消防机器人、德国路虎60雪炮机器人、法国鲨鱼机器人公司的“巨人”等。
图24 消防软管机器人“飞龙”
图25 “巨人”在圣母院大教堂火灾中灭火
2002年，我国863项目研制了“履带式、轮式消防灭火机器人”具备灭火、排烟、侦测、巡检、危险处置、应急救援、预警和通信的功能等消防机器人。在产业化方面，代表企业有中信重工开诚智能、国兴智能、大华、力升高科等。在消防救援应用领域，中信重工开诚智能的RXB和RXR系列产品包括了防爆消防灭火侦察机器人、防爆消防侦察机器人、消防排烟机器人、防爆消防高倍数泡沫灭火侦察机器人、排爆机器人等，可满足侦察、搜救、灭火、洗消、破拆等不同火灾现场的需求；力升高科的RXR-M80D-AX采用多项耐高温防护专利技术，可以在1000℃高温环境中持续工作30分钟以上。
图26 RXR-MC200B消防灭火侦察机器人
图27 RXR-M80D-AX机器人
地面搜救机器人主要用来代替营救人员进入地形复杂的灾害现场完成环境监测、生命搜索等任务，常用在地质灾害、核泄漏、矿难救援中，具有多种形态。
履带式和轮式机器人是救援机器人应用最广泛的形态。日本消防厅研制的地震救援机器人Quince系列履带式救援机器人，采用低矮短小的外形设计，配有红外线摄像头来检测生命特征，一旦发现幸存者，它就可以通过输送带将一名最重230斤左右的伤员运送到自己内部，在2011年的福岛核泄漏事故后被派往反应堆厂房内，进行事故现场的实景拍摄和环境辐射剂量的测量。中科院沈阳自动化研究所研发的一种可变形履带机器人 AMOEBA-I，具有快速转弯、克服障碍物、穿越沟槽等能力，能够翻越最大高度为 58 cm 的障碍物，搜救性能出色，在2013年四川雅安地震中进行应用并发挥了重要作用。
图28 Quince
图29 可变履带式救援机器人
仿生机器人的体积相对较小，关节较为灵活，能够进入相对狭窄的缝隙进行搜寻探测。例如英国普利茅斯大学研发的基于 3D 打印的柔性材料蛇形搜索机器人，被用于灾后坍塌建筑的人员搜寻；日本 SGI 公司和电气通信大学联合研制成功的履带式蛇形搜索机器人KOHGA，安装有摄像机、红外线测距仪、 多功能气体浓度传感器及导航仪，可实现对灾害现场的环境监测。加州伯克利大学的研究人员制造出一种蟑螂搜索机器人，能适应更为狭窄崎岖的地面环境，可以顺利通过不到自己身高一半的狭窄空间，在废墟瓦砾中搜寻地震幸存者生命迹象的潜能。
图30 蛇形仿生救援机器人
图31 蟑螂仿生救援机器人
但目前灾害救援现场的应用效果表明，当废墟环境过于复杂时，现有履带式机器人、轮式机器人以及仿生机器人均无法完全满足救援需要，而其他如双足救援机器人、复合式救援机器人等均有相关研究，但仍在实验室阶段而未投入实战。
水面及水下救援机器人也是应急领域重点研究的方向，相比于地面救援机器人，水下及水面救援机器人不仅需要有搜寻功能，同时也需配备救援功能。珠海云洲智能科技股份有限公司是一家专注于无人水上船艇的企业，其“海豚”系列水面救生机器人目前已迭代到第3代，体型小巧，采用喷泵式推进，最高速度可达7m/s，续航70min，操作也较为简单，遇险时只需将其投入水中，机器人便能自动开机并扶正，无需人工开机即可即刻投入救援，极大节省了宝贵的救援时间。目前已在山东省威海市，江苏省连云港市、盐城市，广东省珠海市等全国多个地区成功救助落水人员12人，同时在全球40多个国家和地区得到了推广。2014年4月14日，美国军方派出了自主水下机器人蓝鳍-21进行马航MH370的搜救工作，其能在最深6000m的海底行走，配备了雷达、照相机、摄像机和精确导航系统。在韩国“岁月”号客轮的搜救行动中，韩国研发的“螃蟹机器人”Crabster CR200投入到了救援当中。
图32 海豚3号水面救援机器人
图33 蓝鳍-21
图34 韩国研发的“螃蟹机器人”
但总体来看，目前应急救援仍多以遥控模式居多，且在应对复杂环境上的能力不够，还无法完全满足复杂灾难现场救援任务的要求。
2 4 空间机器人
空间机器人是专为在太空环境中执行科学试验、出舱操作及探测等任务而设计的机器人。鉴于太空环境的极端恶劣与不确定性，宇航员在其中的活动风险极高，空间机器人能显著降了这些风险，并能在航天探索中扩大人类的活动范围与操控能力。随着人类太空探索的深入，机器人已经在空间各领域得到了广泛应用，包括空间站舱室在轨装配、航天器维护检修、捕获悬停飞行器、航天员出舱活动辅助、地外星体探测等。
20世纪70年代空间机器人概念提出，20世纪90年代获得首次在轨验证，之后我国及美国、日本、加拿大、德国、欧洲等国都开展了大量针对空间机器人的研究，其中一部分已经得到了应用。目前美国已有4项空间机器人实现在轨应用（Robonaut、Skyworker、MER-A、MER-B），中国3项（CSSM、祝融、玉兔），加拿大2项（SRMS、MSS），日本1项（JEMRMS），德国1项（ROTEX），欧洲1项（ERA），其余都还处于研究或验证阶段。
由于空间机器人的工作环境与地面环境差别巨大，需要考虑真空、微重力、高温/低温、强辐射等因素，此外还要面临所要探测星球的特殊环境，如火星电离层等。因此，空间机器人在体积、重量、功能、能耗、抗干扰性能、智能化程度、可靠性、使用寿命等各项性能方面都要求极高。
空间机器人主要可分为在轨服务机器人和星球探测机器人两类。在轨服务机器人分为舱内/外服务机器人和自由飞行机器人。舱内/外服务机器人一般是指安装或工作于空间站, 协助航天员完成各种任务的机器人系统，主要可分为舱外大型机械臂、舱内小型机器人系统和舱内人行机器人。自由飞行机器人一般是指飞行器安装机械臂组成用于空间在轨服务的机器人系统。
表1 国内外在轨服务机器人在轨验证情况 出处：孟光,韩亮亮,张崇峰 空间机器人研究进展及技术挑战[J] 航空学报,2021,42(01):8-32
加拿大的SRMS是世界上第一个实用的空间机械臂，有6个自由度，主要用于物资搬运、辅助航天员出舱活动和航天飞机在轨检测等任务，由加拿大MDA公司研制，1981年首次被使用，1990-2002年间实现了哈勃望远镜的多次在轨维修，1998年还完成了在国际空间站美国“团结号”节点舱与俄罗斯“曙光号”首次组装任务。
图35 加拿大SRMS空间机械臂
日本实验舱机械臂JEMRMS安装于国际空间站日本实验舱，于2009年组装完成。由主臂和小型灵巧臂组成，主臂长10m，有6个自由度，末端定位精度50mm，并配置力矩传感器以实现柔顺操作，主要用于物资搬运和ORU更换；小型灵巧臂长2m，6自由度，末端定位精度10mm，能实现更为灵巧的操作，用于舱外暴露载荷照料。
图36 日本空间站机械臂JEMRMS
2016年，我国的天宫二号机械臂系统随“天宫二号”空间实验室发射入轨，其由6自由度轻型机械臂和五指仿人灵巧手组成，航天员与机械臂系统协同开展了动力学参数辨识、抓漂浮物体、与航天员握手、在轨维修等试验。
中国空间站目前配有天和大型机械臂和问天小型机械臂。天和机械臂长10m，有7个自由度，最大在轨载荷为25000kg，配置于空间站核心舱舱外，用于完成空间站舱段转位与辅助对接、悬停飞行器捕获与辅助对接、支持航天员EVA等活动。2022年，天和机械臂转位货运飞船试验取得圆满成功，验证了空间站舱段转位技术和机械臂大负载操控技术。问天机械臂长5m，有7个自由度，最大在轨载荷为3000kg，主要用以暴露载荷照料、光学平台照料、载荷搬运等。两个机械臂各有特长，同时也可协同工作，并能通过串联共同完成维修任务
图37 天和转位货运飞船实验
图38 天和和问天机械臂串联组合
2019年8月，俄罗斯联盟号飞船搭载发射人形机器人Skybot F-850至国际空间站，它是具备四肢的空间仿人机器人，具备模仿航天员作业的能力，已在国际空间站进行了开启舱门、传递工具、模拟舱外活动等试验。
图39 Skybot F-850
相比于遥控为主的在轨服务机器人，星球探测机器人具有更强的自主性, 能够在无人干预或较少干预的情况下独立完成在地外星体完成探测着陆地点、科学仪器放置、收集样品进行分析等各项任务。
1970年,苏联发射的月球车1号Lunokhod 1是全球第一辆月球车，其主要任务为月面移动勘察和月面精细探测；美国NASA的阿波罗月球车是唯一由字航员驾驶的月球车，发射时处于折叠状态，到月球表面后由宇航员手动安装展开。
图40 Lunokhod 1月球车
图41 阿波罗月球车
美国索杰纳（Sojourner）于1997年7月着陆在火星表面，搜集了火星表面环境、岩石、地貌结构等数据，完成了轮壤作用、导航试验及巡视器工程性能的验证。"勇气号” ”(MER-A)与“机遇号”(MER-B)于2004年到达火星，继承了索杰纳六轮摇臂式结构，移动机构新增了可折叠的功能，使悬架能够收回到四面体着陆器中，其配置5自由度机械臂，主要作用是部署各种设备仪器，并且安放在火星表面。
图42 Sojourner火星车
2013年12月，中国”玉兔号”成功落月并完成月面巡视探测任务；2019年1月，媒娥四号巡视器"玉兔二号”成功落月并实现月背原位探测和巡视勘察任务。玉兔号采用6轮独立驱动，具备在月面前进、后退、转向、爬坡和越障能力，并配置了3自由度机械臂、全景相机、测月雷达、红外成像光谱仪、粒子激发X射线谱仪等科学载荷。2021年5月，“祝融号”成功登录火星表面开始执行任务；祝融号同样采用6轮独立驱动，搭载了火星表面成分探测仪、多光谱相机、导航地形相机、火星车次表层探测雷达、火星气象测量仪。
图43 玉兔号
图44 祝融号
近年，浙江大学湖州研究院研制的月面伴随机器人，搭载差速自平稳悬架系统，两侧摇臂可相对独立、快速地适应崎岖地形表面，使机器人具备跨越高20厘米岩石、穿越30度以上斜坡能力。 机器人充当了航天员出仓探测时的跟随助手、同伴的角色，车上安装的立体视觉系统能以每秒20次的高频率锁定宇航员位置，牢牢跟随宇航员行动，实现帮助记录工作环境，抵近观察等功能，具备工作场景跟踪拍摄与记录能力，目前还处于实验阶段。
图45 月面伴随机器人
2 5 水下作业机器人
水下机器人是可潜入水中代替或辅助人类进行水下极限作业的机器人，具备可在高度危险环境、高度污染环境、零可见度水域中提供实时视频传输、声呐图像绘制等功能，可实现如深海考察、环境清洁、水下设备维护、资源开采等各项任务，目前在海洋石油和天然气开采方向应用广泛。
通常，水下机器人可分为自主水下机器人（AUV）和有缆遥控水下机器人（ROV）两种。AUV自带能源自主航行，可执行大范围探测任务，但作业时间、数据实时性、作业能力有限。ROV依靠脐带电缆提供动力，水下作业时间长、数据实时，作业能力较强，但作业范围有局限。近年来发展的混合式水下机器人—自主/遥控水下机器人（ARV）结合了AUV和ROV的优点，自带能源，通过光纤微缆实现数据实时传输，既可实现较大范围探测，又可实现水下定点精细观测及作业。
国外水下机器人研究起步较早，始于上世纪50年代，并经历了从载人到无人，从遥控到自主的发展阶段。以美国为代表的发达国家，先后研发了多种不同类型的水下机器人，成功用于深海资源调查、海洋科学考察、水下搜索救捞等领域。目前，美国、加拿大、英国、法国和日本等发达国家在水下机器人领域处于领先地位，占据了绝大部分的商用市场份额，美、日、俄、法等国家已经拥有了从水面支持母船到潜深 3 000—11 000 m 的系列深海装备，代表企业有美国的Oceaneering、英国的TechnipFMC、意大利的AGEPTEC、Saipem、法国的ECA、挪威的Kongsberg等。目前国际上ARV最具代表性的是美国伍兹霍尔海洋研究所研制的 HROVNereus（“海神”号），具有 AUV、ROV 两种作业模式，但需要在机器人下水前现场进行作业工作的换装。自 2011 年起，在“海神”号基础上，针对极地海冰调查，伍兹霍尔海洋研究所开始研制新的混合型水下机器人 Nereid UI，其最大工作水深 2000 m，携带 20 km 的光纤微缆，并搭载多种生物、化学传感器，可进行大范围的冰下观测和取样等作业。
图46 “海神”号
图47 Nereid UI
我国自20世纪70年代末期，以中科院沈阳自动化研究所领头的研究团队开始着手海洋机器人的研制工作。1986年，我国第一代有缆水下机器人“海人一号”研制成功；1992年起，沈自所牵头的联合研究团队与俄罗斯科学院远东分院海洋技术问题研究所（IMTP）合作，开始研制潜深6000米自主水下机器人；1994年，无缆水下机器人“探索者号”诞生，实现了从有缆到无缆的跨越；1995年，工作深度达6000米的无人潜水器“CR-01”问世，使我国一跃成为世界上少数拥有该项技术和设备的国家之一，随后又开发了性能更为优秀的“CR-02”。步入21世纪，我国先后成功开发了 “潜龙”系列自主水下机器人，“海斗”系列自主遥控水下机器人，“海龙”、“海马”、“海星”遥控水下机器人和拖曳式水下机器人，载人潜水器“蛟龙”、“深海勇士”和“奋斗者”号等，这些水下机器人工作水深在4500米到11,000米之间，与国外同类装备相比，其技术水平大体相齐或领先，帮助我国在深海资源勘查、极地科考等领域取得了巨大的成果。
图48 潜龙一号（AUV）
图49 海斗一号（ARV）
自2010年前后，我国水下机器人逐步从军用、科考领域拓展到民用消费领域，民用水下机器人市场规模逐步扩大，相关应用逐步深化。数据显示，2021年我国水下机器人应用最多的是海洋工程，占比35%；第二是水产养殖，占比20%；水下娱乐和科学研究均占比10%；而水下机器人市场规模从2015年的12.52亿元增长至2022年的110.2亿元。科研院所方面，中科院沈阳自动化研究所、河海大学、哈尔滨工程大学、上海海事大学、浙江大学湖州研究院等均有较强的科研实力。企业方面，代表企业有天津深之蓝、北京博雅工道、鳍源科技、潜行科技、臻迪科技、深圳吉影科技等，但总体来看，相关企业数量仍较少，市场格局较为分散。
图50 浙大湖州研究院研发的水下清洗机器人
深之蓝是我国水下机器人的龙头，其产品设有工业及消费两大业务线，工业业务线主要产品有面向企业级用户的缆控水下机器人（ROV）、自主水下航行器(AUV)、水下滑翔机(Glider)、COPEX型自动剖面浮标等，消费级主要以Sublue为主，包含水下助推器、泳池清洗机器人、智能防水手机壳及潜水配件等，其产品已远销至美国、澳大利亚、德国等70多个国家。
图51 深之蓝产品矩阵
鳍源科技是一家集水下机器人研发和产品销售为一体的国家高新技术企业，以水下机器人系统及水下大数据为核心，构建水下机器人“系统+内容+数据+服务”的系统解决方案。 旗下消费级产品FIFISH V6作为全球首款全姿态控制的水下机器人满足了所有的水下观察角度及运动维度，引领水下视觉创意全面进化，打造全新的水下以看为主的消费方式；面向行业应用的轻工业级水下ROV，提供平台化的整体解决方案，采用模块化设计，扩展性强，通过搭载不通的模块，可以拓展不同的水下应用场景。
图52 鳍源科技产品矩阵
2 6 建筑机器人
建筑工程作业环境差、劳动力短缺、工期要求严苛。采用机器人替代人工进行施工，不仅能显著提升工作效率，缩短工期，更能适应各种恶劣天气条件，所以，建筑机器人无疑将成为未来建筑业发展的必然趋势之一。
根据建筑工程的建造阶段，建筑机器人目前主要有勘察测量机器人、建材预制机器人、基坑建设机器人、砌墙机器人、整平机器人、检测维护机器人、拆除机器人等。
日本、美国和欧洲国家早在上世纪80年代就开始尝试机器人在建筑行业应用，1982年日本清水公司的一台名为SSR-1的耐火材料喷涂机器人被认为是第一台建筑机器人，而后美国、德国、澳大利亚等国都在该领域投入了研发，占据了全球市场主要份额，其主要研发力量在民营企业，代表企业有美国的Construction Robotics、Dusty Robotics、Canvas、Built Robotics，德国Progress Group、Leica、KEWAZO，澳大利亚的Fastbrick Robotics、Align Robotics等，其产品覆盖建筑全生命周期的各个阶段，并在各种应用场景都有落地案例，多家公司的产品在市场上批量化使用，并取得了明显成效。例如Construction Robotics的代表产品SAM半自主砌砖机器人，通过机械臂进行墙砖的铺设，可以使工地上的泥瓦匠生产率提高三倍以上；Align Robotics 的AutoMARK自动放样机器人，可自动将CAD上建筑和施工组件的准确位置标记在项目现场，从而有效地实现测量过程的自动化。同时，多所高校也有一些杰出的例子，如MIT机器人实验室推出过一些 “材料创新+3D打印”建造机器人、外骨骼辅助机器人SRA及SRL等；苏黎世联邦理工学院开发的HEAP砌墙机器人，能够利用石块亦或由混凝土拆除产生的碎片来自主建造干石墙；瑞典设计学院开发的ERO拆除机器人能够通过高压水枪来吸收、回收水泥并以此拆除墙壁。
图53 SAM半自主砌砖机器人
图54 AutoMARK自动布局机器人
图55 HEAP机器人筑造石墙
图56 ERO机器人拆除水泥墙壁
相较于国外，国内建筑机器人起步较晚，目前仍处于初期阶段。2022年，住建部发布的《“十四五”建筑业发展规划》指出，加强新型传感、智能控制和优化、多机协同、人机协作等建筑机器人核心技术研究，编制关键技术标准，形成一批建筑机器人标志性产品。在政策指引下，近年来各大建筑公司和地产公司纷纷创建研发团队进行建筑机器人的研发，例如中建科技、上海建工、深蓝科技（绿地旗下）、博智林（碧桂园旗下）等，传统机械设备公司例如三一重工、中联重科等也在此领域进行了布局，同时涌现了许多初创公司，例如筑石科技、方石科技、逆动科技、大界机器人、大方智能、一造科技、奇航科技等。博智林作为行业领军企业，成立于2018年，依托碧桂园的强大资源，自主研发了功能不同的建筑机器人，涵盖建设过程全生命周期，截至2022年年底，博智林已有33款机器人开启商业化应用，累计交付1700台，使用足迹遍布25个省份，覆盖350个项目，施工面积已经超过了700万平方米。 同时，博智林培育了大量建筑机器人领域人才，包括筑领科技、领鹊科技、逆变科技等企业的核心团队或创始人都来自于博智林，推动了中国建筑机器人行业的快速发展。
我国建筑工人数量正在逐年递减，建筑市场劳动力紧张，建筑机器人的应用逐渐深化。有调研表明，有81%的建筑企业，将在未来10年内引入或增加机器人技术和自动化的使用，但目前在使用机器人技术的企业只有55%，而在汽车行业和制造业这一比例分别为84%和79%，由此可见我国建筑机器人应用市场还有很大的增长空间。
图57 博智林产品矩阵
总体来看，建筑机器人不论在国内还是在国内都没有大范围铺开应用，商业化模式也处于探索阶段，许多初创公司商业模式以施工外包服务为主，其很大原因在于技术不成熟。一方面，不同于工业场景，建筑工地的场景多样且离散，充斥着建筑垃圾与其他自动化设备，且常常发生变化，还要面对人机混行的问题，在这种非结构化场景下机器人的环境感知、定位导航与智能避障能力面临很大挑战；另一方面，部分建筑施工工艺复杂，单个机器人往往无法做到全过程自主，仍需要人为进行协作，导致施工效率不够高。
三、 结语
总体来说，特种机器人在电力巡检、军用国防、水下作业、油气化工、应急救援、建筑工程等行业应用已较广泛，但随着需求的日益增长，发展潜力仍十分巨大。国外发展起步早，目前全球市场也以国外厂商为主导，但国内厂商正加紧赶超，不断提升自主研发能力，在部分细分市场已实现国产替代，但相比工业和服务机器人来说，国内的上市企业较少，未来还有很大的发展空间。
参考资料：
[1] 张申,季自力,王文华. 美国陆军武器装备的发展趋势[J]. 军事文摘,2019,(19):20-24
[2] 陆震. 人工智能在军用机器人的应用[J]. 兵器装备工程学报,2019,40(05):1-5
[3] 李玉玺,李正宇,徐宏斌等. 地面无人作战平台“作战机器人”国内外研究现状[J]. 兵器装备工程学报,2017,38(12):124-130
[4] 维科网: 2022中国智能巡检机器人行业发展研究白皮书[M]
[5] 董炳艳,张自强,徐兰军等. 智能应急救援装备研究现状与发展趋势[J]. 机械工程学报,2020,56(11):1-25
[6] 孟光,韩亮亮,张崇峰. 空间机器人研究进展及技术挑战[J]. 航空学报,2021,42(01):8-32
[7] 李硕,吴园涛,李琛等. 水下机器人应用及展望[J]. 中国科学院院刊,2022,37(07):910-920
