机器人何时才能取代高空「蜘蛛人」？
来源 | Founder Park
高空机器人正在逐步取代高空作业的「蜘蛛人」。
与我们所熟知的服务于人类的服务机器人，以及用于生产环境的工业机器人不同，特种机器人自诞生起就是为了将人类从各类高风险环境中解放出来。常见的特种机器人包括水下机器人、地面移动机器人、高空机器人等，而采用高空机器人替代人类完成高空作业也是目前降低高空作业风险、提升效率的一种有效方法。
目前高空机器人已应用于工业、农业和林业等众多领域。国内代表企业史河机器人则是专注于船舶除锈、化工罐防腐、火电锅炉检测和建筑外墙清洗等场景，并提供专业的成套化解决方案，在船舶除锈的市场中目前已占据国内份额第一。
许华旸博士做客 Founder Park by 极客公园的「Rebuild」栏目 | 来源：直播截图高空机器人的核心技术与工业机器人有何区别？场景落地中如何实现解决方案的标准化？以及，高空机器人面临的技术难题是什么？
5 月 31 日，史河机器人的创始人 & CEO 许华旸博士做客极客公园的「Rebuild」直播间，畅谈高空机器人的技术现状与未来市场前景。
01
材料工艺的进步
让高空机器人
成为现实
Founder Park：立面机器人主要是解决什么问题的？
许华旸：立面机器人，顾名思义就是立面上行走的机器人，一般也称为高空机器人。应用场景非常广阔。常见的是城市里的楼宇外墙，可以取代大家经常看到的「蜘蛛人」进行作业。除了这种民用场景外，工业上也有比较丰富的高空作业场景：船舶除锈、罐体防腐、锅炉检测，还有桥梁巡检等。
我们把立面机器人的功能分为造、检、修三个环节。造就是像造船厂、罐体制造厂进行焊接、打磨的应用；检就是像锅炉、桥梁这种检测、探伤的应用；修就是除锈、喷漆以及外墙清洗的应用等。简而言之，立面机器人可以在高空立面的场景下，从事造、检、修三部分环节的作业中替代传统的人工。
Founder Park：常见的无人机是通过多旋翼来对抗重力，高空机器人是如何解决这个问题的呢？
许华旸：立面场景下作业的高空机器人和无人机还是有一些差异的，无人机主要搭载的是检测设备，进行宏观检测，比如航拍或者测绘，当然也可以进行一些非接触式的作业，像喷洒农药的无人机。而高空机器人的负载能力更强，可以进行抵近观察的应用，可搭载 EMAT 电磁超声测厚仪，甚至是可搭载涡流测厚仪等进行非常精准的检测。除锈对负载能力的要求非常高，既要背负超高压水的管路和线缆，还要承受超高压水射流的反冲力，大概是几十公斤到上百公斤的范围。负载能力更强、定位精度更高、续航能力更长是高空机器人和无人机的主要差别。
如何抵抗重力呢，不同场景下原理也不一样，主流的就是工业场景里采用磁吸附，非钢铁表面采用负压吸附。
工业里常用的材料是钢铁，针对钢铁就可以用磁吸的方式，这样就可以在钢铁表面实现吸附。不过难点是吸力、重力和驱动力要实现很好的匹配，吸力太大就不能灵活运用，而吸力太小又容易打滑和坠机。
如果是非钢铁的表面，比如楼宇外墙是玻璃幕墙式的，可以用负压吸附的方式解决。针对管状或者柱状物体，可以借助摩擦力，利用环抱或者内撑的方式产生摩擦力，这样可以直接沿着管道爬动。
Founder Park：听起来又要能对抗重力，又要能有效负重和灵活移动，到底是什么样的技术进步，让这件事比较容易实现呢？
许华旸：归根结底是静力学和动力学的问题。如果机器人是在一个纯平直的钢板上，背负固定的载荷，就是一个静力学的问题。这样的爬壁机器人 20 年前就有，移动底盘搭载一块磁铁就可以在比较平直的钢板上行走。
但是，在工业场景和民用场景里，这样理想的环境是不存在的。真正的挑战是可以适应曲面，这样才能在船的各个位置爬动、跨越焊缝等。尤其是火电锅炉有复杂的水冷壁结构，是一种不平的瓦楞壁面，必须要有磁场实时感知和适应能力。这都是多年前的爬壁机器人所不具备的。
核心的技术主要是两点：钕铁硼材料的进步，尤其是磁能密度的增加，磁能密度越高，同样重量的磁铁可以产生更强的磁吸力，就可以带来更大的安全余量。安全余量大了，就可以保证它的载荷能力。随着近些年稀土材料产业的进步，带来了钕铁硼材料磁能密度的提升。钕铁硼材料属于稀土材料，中国又是全世界 90% 的稀土材料的出口国，在永磁材料的技术上我们是全世界领先的。
第二个是驱动电机功率密度的增加，功率密度越大意味着在比较紧凑的体积或是重量的情况下有更多的驱动力，也意味着有了更好的安全余量。
这两者是在关键材料与关键部件上的核心创新。结合这两者的突破创新，爬壁机器人才能够飞檐走壁，真正在复杂的工业应用场景里具备更好的适应性。
02
创业目标是成为
高空机器人赛道的「大疆」
Founder Park：是什么原因促使你有了创业的想法？
许华旸：我本科是中南大学机械工程学院，2011 年进入清华大学机械工程系就读硕士、博士和博后。
有创业的想法是因为 2014 年读到了《乔布斯传》。乔布斯从一个一穷二白的小伙子变成全世界最有价值公司的 CEO，一个人从一无所有，凭借自己的拼搏，通过创业这条路实现这样的价值，对整个世界的 PC、智能手机、动画等产业带来了重大的变革和影响。乔布斯的经历激发了我创业的激情和动力，萌生了创业的想法。
2015 年博士就读期间，和同学一起尝试着智能硬件的创业。项目启动了一个多月后，拿到了启迪的投资。我们很快就从 Demo 推进到了工程样机，一年后项目被收购。2017 年我博士毕业后，开始全职创业，当时就定位了高空机器人的方向。
Founder Park：当时为什么会选择高空机器人这个领域
许华旸：因为专业的缘故，一直对机器人有关注。我也喜欢读科幻小说，尤其是阿西莫夫的机器人系列对我影响很深。阿西莫夫描绘的机器人的愿景是什么样的呢？每个家庭有很多机器人，帮忙端茶倒水、洗衣做饭，工作的过程中作为贴身助手，出差的时候又可以作为商务助理，是一种机器人和人类共生的状态。
奇点理论认为随着人类社会的信息和技术的发展，人工智能的性能会呈指数性的发展，很多观点认为强人工智能会在 2050 年出现。我很期待强人工智能时代的到来，到时候机器人可以走进千家万户，赋能百业千行。这个产业可能比汽车和手机产业还要庞大。
对于从事机器人这个大方向我是非常坚定的。但是要找一个务实一点的切入点，在行业内逐步做品牌、资金和人才的积累与沉淀。
我个人对移动机器人非常有兴趣，移动相当于是有双腿的，加上一些执行设备就相当于有手了，加上感知系统就有了眼耳鼻舌，然后再有大脑和小脑，就具备人的雏形了。所以移动是很重要的一个特点，我们当时就想找移动机器人的应用场景。
感性上，我们找创业机会的时候是五一到十一的期间，正好是外墙清洗的高峰期，每天都能看到蜘蛛人在墙上作业，当时就觉得这么传统、低效的工种不应该再存在了，我们还在北京找了十几家蜘蛛人工程队的老板和工人去聊，发现大家对机器人的产品也很期待，因为行业内招工也越来越难了，成本也越来越高。
清理外墙的「蜘蛛人」| 来源：Unsplash理性上考虑，不能只做这一个场景。过去的移动机器人都在做海、陆、空三个场景，我们觉得外墙清洗这个场景属于一个非常独立的、全新的机会。当时就定位叫立面场景，整个品类叫高空机器人。我们觉得这里应该还有很多其他的应用机会，所以就去工业行业了解情况。很快，我们发现风电场景很合适，就进行了第一次尝试，但是后来并没有走通。不过通过这样的尝试，发现船舶、化工、能源、桥梁等其他场景里对机器人还是有需求的，有痛点和刚需。
结合这样的感性的认识和理性的分析，我们选择了高空机器人作为创业的切入点。我们希望在这个赛道坚定地做上 8 到 10 年，成为全球范围内高空机器人赛道的「大疆」。
Founder Park：关于立面机器人，你们当时有进行过市场研究或者分析国外的技术产业现状吗？
许华旸：最简单的方法就是去分析国内外的竞品，可以研究他们的技术路线以及瞄准的行业和客户。分析的第一家公司叫 ICM，International Climbing Machine，他们的第一个场景就是风电。我们也模仿着去做了风电的方向。此外还研究了 Gecko Robotics 的火电检测机器人，GE 旗下的 Inspection Robotics 公司做化工罐检测探伤，荷兰 VertiDrive 公司的船舶除锈机器人等，我们将这些按照行业和功能分类，从中找出在国内比较容易落地的方向。
最早开始做风电塔筒的清洗，然后第二个项目是管道爬壁机器人，第三个是高铁站立柱的场景，第四个才开始尝试船舶的除锈。除了我们自身的主动探索之外，经历了一些年的沉淀，也有一些项目主动地找到了我们，因为早期为了生存也接需求定制单，比如石家庄的东方热力，包括浙江省特检院也是我们的客户。
就这样，通过我们自己的判断，加上被动的接单，形成了漏斗最上层的基础需求池。然后，在做的过程中，再去判断它的技术可行性和商业价值，之后再进一步产品化，然后持续一代代打磨和迭代。
Founder Park：你们是如何把早期的一些单个项目产品化落地呢？
许华旸：我们落地的第一个产品是船舶除锈，实现过程花了差不多两年半的时间。
最早听到这个需求是从机器人行业的一位前辈那里。他从客户那遇到这样的需求，觉得技术方面难度很大，就建议我们来做。全世界有十几万艘船，除锈需求很大。但是技术难度也大，船体很光滑，还要搭载超高压水管，机器人容易掉下来。
我们先是做了竞品调研，发现国外有这个方向的机器人，觉得这个方案基本可行。国内也有高校之前做过课题研究，有一些技术资料。在他们的的技术路线的基础上，我们又进一步提升了磁铁的磁吸密度，还有曲面的适应性。因为之前做过风电的项目，就把曲面适应的技术在这里用上了。超高压除锈找了一些朋友了解，上游的关键配套也逐步搭建起来了。
很快就做出了样机，用铁板测试后发现具有可行性，就开始找早期的天使客户。这个过程中主要是找那些有意愿尝鲜的创新型客户。因为样机的效果往往不会太好。通过熟人推荐找到了两家客户，分别在江阴和舟山。在这两个现场不断测试，至少有实际场景了，整个研发的链条闭环，可以进行迭代了。
2019 年底，开始第一次小批量。应用量上去后，产品问题暴露地更充分了，及时做了小版本的迭代。V20 版本进行了小批量，一致性和稳定性具备商业化的条件了，我们选择采用服务运营的方式，让厂商能充分使用。用了半年左右，我们的修船量突破 100 艘。突破 100 个作业对象，基本证明了商业和技术的可行性。
船舶除锈作业 | 来源：史河机器人V30 版本出来后，稳定性更好了，易用性也大幅提升，增加了辅助驾驶的功能：如自动巡航、一键换道、自动避障等功能，这样新手也可以很快上手了，具备了大规模推广的潜力。后续，我们就开始在青岛、宁波、广州、深圳等开设销售网点，大规模推广产品。
产品跟营销是一个循环更迭的过程。产品越好，就会有更广阔的应用，也会拥有越来越多的客户。因为有越来越多的客户使用产品，反馈更多，那产品就会越来越好。这两个迭代起来，有一定的马太效应，因为场景的壁垒很强。
Founder Park：船舶机器人的自动导航解决的是什么问题，核心原理是？
许华旸：机器人操作分为手动遥控和自主作业两种模式。在比较规则的曲面上可以实现自主作业，做好路径规划，自动导航。船尾和船首会有一些复杂的区域，需要切换到手动操作的模式，通过传感器配合做一些辅助。
我们把地面移动机器人的导航技术称作 inside-out 方案，从内往外看，相当于是人戴了眼镜，结合周边的点云或者图像数据来做自身定位的识别。立面的话，我们称这种技术为 outside-in 的方案。机器人在墙上走着，在第三视角架设一台云台相机。因为我们的定位导航不需要绝对位置，只需要相对位置。对于一艘船来说，在图像里转换成矩形框，机器人只要从矩形框的左上角遍历到右下角，除锈就完成了，不需要告诉绝对位置。以第三视角的图像为主，融合机器人本身的多传感器的数据，可以实现 3-5 cm 精度的定位，满足现场场景的需求。
Founder Park：100 艘船的清洗工作大概是个什么样的工作量？
许华旸：正常一艘 10 万吨的货轮，长度大概在 300 多米，过去用高空车作业，需要三四十台同时作业，大概需要 50-60 人，夜班也需要同样数量的人。如果换成机器人和人力共同协作的话，20 台机器人，白天 20 人晚上 20 人，人机共同操作，大概三天三夜的时间就可以全部清洗干净。成本方面可以大幅节省，效率也有显著提升。
Founder Park：你们目前的营收规模是？
许华旸：具体数值不方便透露，不过可以简单说下。
中国的修船行业一年的产值大概在 300 亿。外板除锈是 20-30 亿/年，内舱除锈也是差不多的体量。中国头部船厂接近 30 家，大概能占国内修船业的 80%。这其中有 20 多家都是我们已经直接或者间接服务了的。
到目前为止，我们的机器人累积作业船只超过 500 艘。在这个细分行业，应该是全世界修船量最高了。船舶除锈面积大概估计在 60 万平以上，市场占有率肯定是第一的。
Founder Park：船舶清洗的市场到底有多大？
许华旸：全世界 70% 以上的物流都靠海运，目前应该有 12 万艘货轮。疫情期间海运也更加火爆，我们认为未来 100-200 年内海运依然是性比价最高的物流方式。
在海洋中航行需要解决船板腐蚀的问题。目前，航运行业是规定每五年要进坞维修两次。中国因为是全世界最大的进出口国，修船一般也是靠近进出口周边维修。每年要修全世界一半的船，产值大概占到全世界的 20%-30%。
我们选择船舶的场景也是有原因的，第一是市场空间大，便于早期尝试。第二是客户集中度高，利于推广。第三是场景标准化程度高，虽然有不同的船型，但是相对于机器人的尺寸来说基本上都是相似场景，技术通用性高。
03
史河机器人的技术
优势和商业模式
Founder Park：除了进入时间较早以外，史河机器人的核心技术优势是？
许华旸：史河过去一直做是从工业和民用两个场景来开发高空机器人移动平台，核心的技术在四个方向：
第一是磁吸附移动平台，吸附力和驱动力之间的匹配，这个从设计分析、优化和控制过程中都很有讲究。设计过程中需要考虑到极端情况下的吸附力、驱动力的情况，要能满足这样的场景还要有安全余量。其次是仿真的时候要能实现所见即所得，设计出来的磁吸模组和真实实验效果相当。然后是移动控制的过程中，最好能实时感知磁吸力的变化，通过磁场的变化及时调整，这样有更好的适应性。最终实现负载自重比大，曲面适应能力强，越障性能好。
第二是非持续的立面的基于绳索和负压联合驱动的立面机器人形式。和磁吸附相比，负压存在不能越障的问题，所以把负压和绳索结合起来，实现对玻璃幕墙、楼宇外墙的适应，其中还涉及到楼宇外墙的定位和越障等问题。
第三个核心技术是立面机器人的定位导航，就是刚才所说的 outside-in 的多传感器融合的立面定位技术，这在整个行业内是一枝独秀的。我们的友商，包括国外的厂商，也都是采用纯遥控操作的模式。接下来我们还打算进行一人多机，因为有自主作业的功能，一人可以操作多机，进一步提高对客户的投资回报。
第四个就是行业的工艺包，软硬一体的系统。载荷是它的硬件。还有一些工艺参数的配合是软件的部分。比如除锈的时候搭载超高压水射流，水射流的参数就影响除锈的效率，这些又跟水机的压强、流量，喷嘴的布局、数量、靶距等都相关，这些都需要进行多次作业积累，把规律找到，在各个场景下把机器人和水机的最高效率发挥出来。参数和规律本质上可能比硬件更重要，因为硬件很容易设计和模仿，但参数只能自己总结、沉淀。
也即是说，底盘做成系列化、标准化，这样可以在各个场景实现通用。而底盘上的装配，我们也有两个思路，第一个是优先跟行业合作伙伴合作开发。各个行业过去有传统的手持式的工艺和相应工具，优先合作集成。如果不能跟机器人实现很好的适配，我们才考虑转自研。
Founder Park：从技术上来说，史河机器人主要解决了哪些没能解决的实际问题？
许华旸：还是以船舶为例，船的线性非常复杂，比如说球鼻艏的地方，曲率半径在 1 米左右，机器人作业的时候，如果不能及时感知磁场和曲面变化，很容易坠机。
火电锅炉的检测 | 来源：史河机器人复杂的场景还有火电锅炉。燃烧器上百米高，内部是并排的管状结构，需要清灰除胶、探伤检测等。还有翻越折叠角的场景，磁场会突然变化。全世界只有三家可以做到火电锅炉水冷壁场景下，实现翻越折叠角的功能。美国是 Gecko Robotics 公司和 GE 的全资子公司 Inspection Robotics ，中国就只有史河机器人一家。
还有就是，之前提到的立面定位导航和工艺包也是全新的技术优势。
Founder Park：楼宇外墙清洗也是你们要解决的场景，这其中的关键技术是哪些？
许华旸：外墙清洗应该是高空作业赛道里最大的一个细分场景，仅一二线城市的建筑外墙面积大概在 100 亿平左右，每年大概 200-300 亿清洗费的量级，考虑到一线城市清洗频次更高，每年的费用是要超过 300 亿的。
这个场景的难点在于太复杂了，不标准，没法做出单款爆品。最后一定是结合不同场景的实际情况做系列化产品。有一系列产品部件，主要模组是通用的，这样就有规模化的潜力。
但是也有办法切分场景，使用 STP 的方法论做切分，我们把整个楼宇外墙切成六大类，第一类是最简单的纯玻璃幕墙。第二类是只有纵框的幕墙，因为只有纵框，一列一列，不需要越障。第三类是只有横框的幕墙，那就横着走，也不需要越障。前三类的划分，主要是尽量不要越障，因为越障太难了，太低效。第四类定义为既有纵框又有横框，这就对越障有要求。第五类是那种整体造型比较规则，但是表面会有一些复杂的这种结构。第六类就是异形的，比如说鸟巢或者说「大裤衩」。
现在我们主要是瞄准前四类，第五类和第六类暂时不做，将来可能第五类第六类会通过给大 B 客户做定制化专机的方式切入进去。短期我们还是先瞄准前面这种比较头部的，存量比较大。
Founder Park：听起来高空机器人产品是很复杂的系统，上下游的技术和设备是采购整合的，还是你们自己做全链条呢？
许华旸：很多零部件在整个产业链是通用的，像电机、减速器、驱动器等。专用的一些磁铁、超高压水管等是专门的供应商。我们在北京市房山区有个组装厂，主要是做检测、组装和测试，供应链还是靠上下游的合作伙伴一起做。
产业链也比较成熟，电机、减速器都是国产的，很多芯片都是通用芯片，不受贸易战的影响。磁铁又是中国的出口材料，也不受影响。所以整个产业链也是比较完备的。
Founder Park：对你们未来的商业模式，你们是怎么规划的？
许华旸：我们称为销售+ RaaS（Robot as a Service）模式，RaaS 是按照服务进行收费。很重要的是出海，国内客户集中度高，就采取直销的模式，国外更多采取渠道销售的模式。
我们理解的海外策略，可能是全球化+本地化。全球化一定要做，但做的人一定是本地人。短期阶段还是要以渠道的方式为主。因为在海外没有足够的资源，海外的友商也是销售或者是租赁两部分。租赁设备在海外还是比较成熟的一个商业模式。
Founder Park：如果有充足的资本支持，你们会按照一个什么样的技术路线发展？
许华旸：第一个是产品线的丰富，包括在各个行业的垂直一体化的产品线。比如说船舶我们做了外板除锈，那接着要做内舱的除锈。下一步是喷涂。做完修船去往造船渗透，接着往航运走。
能源行业像检测外墙系列产品化的落地，这个有国外的 Gecko Robotics 的对标了，业务确定性很大，国内的火电锅炉等也进入了后运维的市场，需求在增长。最后就是民用外墙清洗的六个场景，前四个场景尽快落地商业化。
第二个是全球化布局，我们现在是成熟一款产品，出海一款产品。船舶除锈机器人，化工防腐机器人在国内都经历大概三年的打磨已经成熟，可以加速在海外的布局和扩张。
第三是 RaaS 业务在国内的业务落地，还是希望能通过大的资金快速整合，抓住相对优质的用户，提前跟工程服务公司建立起合作关系，长期和船厂或化工厂等形成共生的生态。
这些至少还能做 6-8 年，要做系列化产品线、RaaS 业务的落地，以及全球化，要把整个高空机器人这个赛道引领起来。6-8 年后，史河希望在这个赛道成长为一家超级独角兽企业，成为一家百亿美金的全球化公司。
