【WRC 大咖观点】熊俊杰《工业领域机器人巡检系统的技术与应用》

编者按：

2022世界机器人大会主论坛群星璀璨，产、学、研各领域大咖齐聚首，共话巅峰，为机器人未来发展领航。

峰会现场，申昊科技副总经理熊俊杰发表了题为《工业领域机器人巡检系统的技术与应用》的演讲。以下为熊俊杰演讲内容的整理。

今天给大家带来是关于机器人如何在工业场景下面巡检和作业的应用探索，先从现状和背景出发回答三个技术要素实现机器人开放环境下操作，以及当前产品应用。

十八世纪中期我们开始工业文明以来，我们生产制造从手工作坊到动力驱动到大规模机器人生产到现在工业机器人生产线，未来还一定是自动化系统，我国已经进入高质量发展阶段，需要有强有力高端制造业来支撑当前或者将来更美好的现代生活。

“十四五”机器人产业发展文件明确指出，我国正迎来机器人产业发展战略机遇期，必须加快解决）技术积累不足，基础薄弱，高端供给缺乏等问题，推动机器人产业迈向中高端，为了大力提升电力安全生产整体水平，“十四五”文件指出需要加大智能巡检机器人应用覆盖率，并且要开发带电作业机器人，从根本上让人从作业风险之中脱离出来。

为了确保电力系统安全、高效运行，机器人投入大量研究和应用示范。在我看来，目前巡检机器人应用较为完善，作业机器人相对起步较晚，从轮式、挂轨式机器人实现巡检拓展极端环境应用，在我国北方极寒地方能实现巡检机器人的作业。接下来利用机器人发现问题，发展到利用机器人解决问题，排除故障。

作业场景有非结构化和复杂特征，室内相比室外有温度、光照、风等等不确定性，让整个任务变的复杂。同时作业相对于巡检，需要有环境的交互，这些开关柜、线路等等都是作业里不确定性和复杂性的引入。为了解决刚才说的这些复杂性和不确定性，我们自主作业机器人需要结合机器人学和人工智能技术，让它具备环境感知能力，并且根据环境规划相应路径和位置，最终在作业的时候可以通过柔顺控制，我们不能忽略人的作用，在人决策辅助完成指令辅助动作。

环境感知是机器人运动的基础，单一感知不能完全理解环境，正如人除了眼睛、声音、嗅觉，我们在机器人上面利用多传感器信息融合，把三维建模建立之后，在这个基础之上识别作业目标和对应位置方向，最终执行过程里面通过触觉感知在人、环境、交互过车里确保安全。详细地说，技术细节咱们时间有限不过多展开了，我们基于3D点云和深度相机，建立稠密具有颜色和细节信息三维模型，刚才也提到人在决策过程中参与进去，单纯三维模型对于人并不是十分直观，需要有颜色和更多细节人在判断才能更好观察模型。在环境里面，我们有很多需要识别出来的作业对象有标记、开关闸道和按钮等等，除了知道是作业对象以外，也需要知道按钮相对于机器人作业工具是什么样的朝向，才能从正确角度触发按钮，采用合适位置执行动作，这里有相应基于图像以及神经网络，得到整套工作流程。为了确保万一小概率机器和环境触碰最终的安全，我们想象一下人皮肤是一面巨大传感器，我们借鉴了这个理念，开发了触觉功能仿生皮肤。视频里有演示，当他感知到特别小厘米级距离与物体进行接触，机器人会停止，风险已经排除会继续执行原来操作任务。

运动规划，刚才高飞老师和几位机器人专家讲了很多学术前沿的工作。我们在作业里对轨迹规划非常，首先最重要是理解场景理解出一条不会产生规划的路径，为了降低实时工作计算复合，我们对算法做了优化，用八叉树模型在场景细节里面做了抽象，形成一个包围盒，简化整个计算的复杂度。便利可操作空间节点，我们也是以快速搜索随机数这种抽象简略的操作方式，我们并不十分追求最简的操作路径，我们只是在合适时间、合适计算复合下面最终实现这个目标，对我们来说已经足够了，鲁棒性比效率更重要。轨迹规划刚才也提到，它会涉及作业朝向的问题，在工作空间里面，结合整个机器人运动学的约束和朝向角的要求，计算合适的位置显得尤为重要。这里提到轨迹规划里考虑关节运动学的时候会涉及到一些基点，如何避免运动轨迹形成基点，和路径更加平滑的算法工作。位置刚才也提到了，在工作过程中会涉及有很多潜在碰撞问题，单纯的位置控制是不足以克服风险。所以在位置控制基础之上，在机械臂末端阻抗特性做出考虑，最终形成了一套基于力和位置，还有视觉信息融合控制架构，让机器人可以更好地去场景沿着轨迹去到作业位置，提高作业质量。

主从遥控操作，这里人是始终在操作过程监控整个过程，所以我们不能忽视人的价值。机器人在精细决策的时候有相当多的不足，特别是作业环境复杂情况下，我们没有办法在最开始的时候把作业要素考虑完善，所以最终末端执行过程中，我们会要求操作员利用手上操作终端，对机器人执行动作做最终决策，保证整个工作的质量。这里面利用了主从遥控造作的终端，在展位大家可以去感受一下对力传感的精确。刚才看到是并型结构的，手臂也好、机械臂结构也好是串型结构，从并型到串型之间转换存在不少数学层面的难点，所以我们也在探索一种可穿戴式人机协同的架构，基于串型穿戴式操作终端，对对操作员技能要求进一步降低，通过非常直观操作界面实现人机的互相操作。

以上这些技术落实具体的产品，可以给大家详细介绍一下，在电站里面是我们有开关倒闸作业，必要时切换作业复合。举个例子，巡检机器人发现局部线路某些参数出现异常时，把线路复合转移另外一个问题，断开进行检修，以前这个过程需要人操作，但在变电站无人值守的语境下，机器人发现问题了，人过去花半小时、一小时的时间有很明显的滞后。现在机器人具备相应作业能力，可以将故障隔离动作在现场执行，在发现问题第一时间就执行，让故障不会蔓延影响整个网络。

这个视频大家看到，当利用整个机器人去执行复合隔离作业过程，首先需要对顶上面板二次设备进行一定操作，按键选钮开关等等。这里是把车摇出来，要断开地道，需要非常大的力矩，人操作有大摇摆，光机械臂能提供力矩不够，我们设计的专门操作平台，上面二次设备闸道就断开了。

这里展示的是室外配电线路上面的作业机器人，跟大家分享一下，在外面配电线路架空线路上，10千伏是3—5米高度，人操作的时候会采用带电作业的工法，在穿好绝缘服情况下，根据一定作业规程，不断电情况下对上面工作进行操作，培训工作非常复杂，需要带点作业员进行大量知识培训，擦作过程也非常简单，不能产生错误，要不就是一个严重出电事故。让人从风险作业环境里抽脱出来是电力系统一直在探索的，也是我们做出这款产品原始动力。现在可以实现带电情况下接出引流电，这是作业过程如何剪线，首先基于三维点云模型，做好设备路径规划，视频左下方有旋转激光雷达，不断对场景进行重建，给机器人做决策。路径规划好，机器人自主移动到工作位置，这时候人介入进去，通过操作终端、决策执行作业的操作。

刚才机械臂作业基础之上，我们看到了当下而言，核酸采集工作对于人员复合是非常大的，我们把整套技术平移到特定核酸采集场景下，做了机器人核算采集站，这套设备完全排除了大白工作，不需要大白参与就能自主完成核酸样品采集。整个工作流程现在30秒不到，现在公司里采样点基本通过机器人来完成。

做一下总结，我们希望抓住当下宏观经济环境下面国家战略政策给我们的行业红利，发展相关底层技术，让机器人可以在工业环境下面带有风险作业条件下面，提高人身安全，提高作业质量，为现代发展做一些贡献！

—— 熊俊杰