原创 | 文BFT机器人
01 行业概述
一、特种机器人概述及发展历程
（一）特种机器人概述及市场规模
中国电子学会将机器人划分为工业机器人、服务机器人、特种机器人三类。特种机器人指代替人类从事高危环境和特殊工况的机器人，主要包括军事应用机器人、电力机器人、轨道交通机器人、应急救援机器人、极限作业机器人和水下作业机器人等。
特种机器人在应对巡检、地震、洪涝灾害和极端天气,以及矿难、火灾、安防等公共安全事件中有着突出的性能表现，是21世纪自动化科学与技术的集中体现，是最高意义上的自动化，是当今国际自动化技术发展的重要方向。
近年来，我国特种机器人市场高速发展。2019年，我国特种机器人市场规模为7.5亿美元，增速为17.7%，显著高于全球特种机器人市场规模增速。随着我国企业对安全生产意识的进一步提升，将有越来越多的特种机器人替代人在危险场所和危害环境中进行劳动，特种机器人的应用领域将进一步拓展，市场规模将持续增长。根据IFR的数据，2021年我国特种机器人市场规模将达到11亿美元。
(二)机器人产业发展历程
1、机器人产业发展历程
我国的机器人产业的建立可追溯自上个世纪70年代，通过国家“七五”科技攻关，实现了中国机器人产业“从无到有”。通过国家“八五”、国家“九五”科技攻关，已能自主生产机器人中部分关键元器件，但规模小、应用窄、可靠差、技术低，大部分的机器人生产都根据需要单独设计，规格多、批量小、周期长、成本高、通用度低，造成产品维护性、适用性和经济性差。
国家“十五”、"十一五”科技攻关实现了中国机器人产业的大转折，逐渐形成了具备一定竞争力的机器人生产企业和产业化基地。“十二五”、“十三五”期间，我国机器人产业规模、技术和产品实现突破，我国已经连续8年成为全球最大的工业机器人消费国，2020年制造业机器人密度达到246台/万人，是全球平均水平的近2倍。
2、特种机器人发展历程
20世纪80年代以来，随着信息技术、控制技术、传感器技术的高速发展，机器人开始逐渐从制造业“走出”，被广泛应用于非制造领域，特种机器人由此诞生。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，并在若干方向上取得了令世人瞩目的成就；随后在“863”计划的支持下，我国在水下机器人、服务机器人、微操作机器人、爬壁机器人、管道机器人、军用机器人、仿人机器人和智能化智能机械等特种机器人方面开展广泛研究，取得了一批研究成果，在某些技术方面达到了国际先进水平。
3、智能巡检机器人发展历程
国内巡检机器人真正的研究开始于20世纪90年代，中国科学院、沈阳自动化研究所、中国科学院等单位参与了巡检机器人的研究工作，取得了许多重大成果，在机器人的定位、导航、硬件结构等方面攻破了许多难关，并且验证了巡检机器人的发展意义。
在国家“十五”、“十一五”等计划的前提下，中国科学院沈阳自动化研究所开展了“AApe"系列巡检机器人系统的研发。该系列机器人能够在超高压环境下完成自主控制的巡检任务，这些机器人的成功研发攻克了关于电磁兼容，机械架构承重等物理难题，以及实现了数据和图像的稳定传输等软件功能。在东北电力产品质量监测站进行了超过五十场的现场实地测试和检验，成功实现各种功能的检测。这个系列的产品在全国各地的电力公司都广泛应用。
中科院沈阳自动化所研制出的 500KV 超高压输电线路巡线机器人系统由巡检机器人主体和地面基站构成，采用远程控制加局部管理相结合的控制形式。该机器人可以独立地沿着一条 500KV 输电线路运动和跨越如防震锤，挂金属工具、高压连接管等的障碍物。
二、产品分类及应用场景介绍
(一)智能巡检机器人的产品分类
根据智能巡检机器人的工作地点，通常可以将其分为陆地巡检机器人、空中巡检机器人及水下智能机器人。
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；空中巡航机器人主要指巡航无人机，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；水下智能巡检机器人主要解决人体无法长时间作业及不能下水的安全限制，降低人员伤亡，提高检测效率、监测范围、数据化及信息的实时性，降低检测成本。
（二）智能巡检机器人应用场景
1、配电站
配电室是带有低压配电系统，能够汇集配电站输送过来的电能并输送给用户的小室，内部环境相对简单固定，对机器人的技术要求相对简单，因此是巡检机器人落地应用最快的场景。在配电室的日常巡检工作中，巡检人员多依靠感官检查配电室内的电气设备与环境状况，不同巡检人员的感受难以量化统一，配电室内的安全隐患或者故障问题容易因为个体感官差异被忽视从而造成损失，巡检机器人的推广使用为室内巡检作业带来了质量与效益的双重提升。
2、井场
过去采油厂沿用人工巡检的方式进行井场巡检，一线工人生活条件枯燥、工作量大、巡检效率低、少量气体泄漏无法及时发现、恶劣天气下巡检安全隐患多。而采用智能巡检机器人可以通过激光雷达导航定位，搭载视频、声音、温度、气体浓度等多种传感检测设备，可以实现作业区安全报警、设备运行故障报警、光杆温度异常报警、声音异常报警以及采油并跑冒滴漏报警等功能，并将采集到的所有图像和数据，通过无线传输系统发送到集控中心并生成巡检报表。
3、煤炭、矿山
目前煤矿原煤运输中普遍存在运输胶带数量多、距离长等特点，传统人工巡检模式的风险性较高且巡检精度不足，通过配置红外热像仪、光学摄像机、高灵敏度拾音传感器、多参数气体探测器和烟雾传感器的智能巡航机器人，可以有效地采集运输胶带周围的图像、声频、温度环境、烟雾气体情况等信息，并将信息实时反馈传递给指挥调度中心，大幅度捉升事故隐患的预警与检测效率，同时完成了巡检工作井下部分的“去人工化”发展，减少了该项工作上的人工成本投入，提高矿井运输安全与生产安全。
三、智能巡检机器人的优劣势分析
（一）智能巡检机器人在石化行业巡检的优势
石化行业生产工艺复杂且具备大型精密高危设备，一旦设备异常将引发重大安全事故，因此需要对石化生产场地及设备进行定期巡查。
石化行业巡查的外部环境以高温高压、易燃易爆等高危险性为显著特点，传统的人工巡检工作质量的好坏与人为主观因素关联很大，例如自身问题检查不细致、判断疏忽马虎大意、不能合理安排巡逻的最佳路线、角度点位、时间、频率，亦或是遇到恶劣气候环境时的消极总工、出人不出力等，然后导致大量人资浪费，更为严重地则是造成重大安全事故，上下级连带责任，造成不可弥补的巨大损失。
引入现代化智能巡检机器人，用创新型高效型安全型的巡检方式来达到科学化、规范化、制度化、高效化的工作目标，是当前石化行业应对传统巡检难题行业行之有效的方法，能巡检机器人通过高度智能的机器人技术和图像识别技术，可以代替人工完成特殊环境下设备运行状态的检测诊断，实现设备区域全覆盖巡视，有效降低设备停摆、漏油、火灾、盗窃等安全隐患，缓解值班人员力量薄弱的问题，提升工作效率。
（二）智能巡检机器人在轨道交通巡检的优劣势分析
目前，轨道和隧道传统的检查手段主要包括专用检测车辆的检查、固定传感器监测和人工检查等。专用移动检测车辆自动化程度较高，但检测车辆价格较高，体形较大，转线较为困难，主要用于动态检测，如轨检车对高速铁路和地铁的轨道不平顺检测等。
固定监测主要是通过固定传感器对自然灾害、隧道、路基、桥梁、站场等进行监测，这种模式适合特定的局部区域，如滑坡风险高的地段、环境复杂的站场、需重点监控的隧道洞口等,使用成本较高，一般不能全线覆盖。人工检查主要依赖人工和手推(手持)工具进行数据采集，如静态检测和人工巡检等，其速度较低，漏检压力大，工作环境恶劣，检测人员老龄化和招工困难问题突出。
（三）巡检机器人在电网巡检的优劣势分析
电力线路巡线是电网公司巡检工作中的一个瓶颈，传统作业模式下，巡检人员劳动强度大、工作条件艰苦、劳动效率低。随着巡检无人机技术的发展，巡检无人机可以装配有高清数码摄像机、照相机及 GPS 定位系统等高科技装备，电网进行定位自主巡航，可以在高山大岭或特高压电线路等人工难以巡视的地方作业，并实时传送拍摄影像，监控人员可在电脑上同步收看与操控。
四、行业厂商地域分布情况
从区域分布来看，我国智能巡检机器人厂商分布较为分散，东部沿海、中西部及东北地区都有智能巡检机器人厂商布局，例如东部沿海的国网智能、中西部地区的七腾科技、东北地区的哈工大特种机器人等，但从企业数量上来看,浙江、江苏、广东等东部沿海地区仍具备一定优势。
从区域布局来看，国网智能以山东地区为核心，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、申吴科技在沪浙、亿嘉和在江苏具有一定优势。
五、行业发展驱动力
（一）政策大力扶持，奠定行业健康基础
在我国，为了推动特种机器人的发展，相关部门发布一系列政策。例如，2022年中华人民共和国国家发改委和改革委员会发布的《“十四五”扩大内需战略实施方案》中，提到要加快研发智能教学助手、医疗机器人等智能化产品。同年11月，在《关于印发进一步提高产品、工程和服务质量行动方案（2022—2025年）的通知》中，提高轮椅、助行机器人等康复辅助器具智能化程度，丰富助视、助听和辅助阅读类产品供给。7月，中华人民共和国中央人民政府发布的《“十四五”国家综合防灾减灾规划》中，重点强化智能抢险机器人、远程遥控决堤封堵、深水高分辨率探测、高原型大载重无人机、高原复杂地形大型设备空中吊运等抢险救援亟需装备的研制与应用推广。
（二）技术创新进步，助推行业高速发展
伴随传感器技术、智能控制技术、数据挖掘技术以及人工智能技术等学科知识和技术的积累和应用，智能巡航机器人与各种新技术的结合愈加紧密，产生出多种新的功能与应用。与此同时，科学技术的进步带来相关产品市场价格不断降低，使应用智能巡检机器人的企业各种成本不断下降，更进一步加快了产品的市场普及率，以及的智能巡航机器人升级换代节奏。受益于不断延伸和扩展的新技术应用，智能巡检机器人行业将长期处于高速发展阶段，科技进步将促进智能巡检机器人的应用进一步深化。
（三）数字经济转型，行业渗透领域进一步拓展
国内“十四五”规划纲要明确提出“要加快数字化发展，建设数字中国”，数字化转型逐渐成为企业关注的热点，在此背景下，大批行业开始探索“机器换人”的“智能巡检”之路。南方电网，2014年开始推广无人机巡检，打造“机巡为主、人巡为辅”架空输电线路巡检模式；京张高铁，2019年首次在崇礼铁路小白阳牵引变电所运用牵引变电所智能巡检机器人，担负高铁的供电设备安全运行任务；2022年，上海电力田集电厂多场景智慧巡检项目正式上线，智慧巡检机器人实现机组重要设备全方位、立体式、高效率的实时监控。随着数字经济转型的持续推进，智能巡检机器人的应用领域将进一步拓展。
六、行业市场规模概述
（一）电力行业
1、行业痛点
近年来，我国电力行业高速发展，电网规模已跃居世界首位，自动化水平逐步提升，电能质量和供电可靠性进一步提高，满足了经济社会发展对电力需求。然而，我国电网运维的现状却不容乐观，现有输电线路运检人员的年均增长率不足3%，巡检人员缺员高达34%，且传统人工巡检模式下难以克服以下几个弊端：
可靠性低：人工巡检对设备和环境进行大致的评估判断，主要通过看、触、听、嗅等方法实现，此种方式主要依赖巡检人员的个人经验及判断，具备较大的主观性，巡检结果可靠性较低。
追溯性差：人工巡检方式获取的数据可追溯性差，无法进行实时巡检并采集数据，不能保留同步巡检数据，无法为巡检工作的提升提供对比数据分析，造成决策管理者不能及时掌握现场第一手资料，因此而延误了消除安全隐患的最佳时机。
安全风险大：电力行业的巡检条件较为复杂，人工巡检存在较大安全风险,恶劣天气下的作业将加大这一风险。
2、智能巡检机器人应用的前景
（1）电力运营事关国计民生，政策持续出台相关扶持政策
自“智能电网”概念提出以来，两大电网公司均将智能电网建设作为重点建设方向，并制定了明确的发展规划。随着多年的建设发展，我国电力系统不断向高度信息化、自动化方向发展，电网智能化程度不断提升，但离智能电网高可靠性、高自动化率的目标尚有一定差距，智能电网是电网建设持续投入的趋势和方向。智能选件机器人是电网智能化改造的重要实现手段，其行业发展受到行业政策充分带动，政策驱动力足。
（2）智能电网建设加速，电网投资规模稳步增长
近年来，随着智能电网的逐渐推进，我国电网工程投资规模高速增长，2021年，我国电网工程投资规模达5530亿元，同比2020年增长5.45%。随着国家智能电网战略的推进，电力行业智能巡检机器人市场规模快速增长，未来将机器人技术与电力技术融合，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。
（二）石化行业
1、石化行业巡检痛点
石化行业设备数量较多、种类复杂，同时各设备生产过程中处于连续工艺，因此任一设备的故障都将导致产线停产，甚至对生产安全造成不可预知的损失，所以石化行业设备的稳定运行至关重要。因此，保证各化工设备的稳定运行是化工生产的重要任务，而设备巡检是有效保证设备运行安全和稳定的一项重要环节。
一方面，管理人员利用巡检系统的相关功能并结合数据的时间参数，能更好地对数据进行客观地统计、研究，为企业领导作出迅速、准确地判断、决策提供科学依据；另一方面，通过有效的巡检，可以提高企业生产管理水平，减少设备维护和维修的成本，延长设备使用寿命，从而大大提高企业经济效益。
目前石化设备巡检仍以人工巡检为主，人工巡检方式能在一定程度上可以判断出设备运行的状态，但人工巡检模式存在多方面的问题。
首先，巡检人员根据自身经验和感官对设备绝缘体的良好程度、设备运行状态以及设备放电等情况进行判断，通过这种方式得到的结果势必会与巡检人员的工作态度、专业程度挂钩，不同的记录方式，也会对最终的判断结构造成干扰，若判断结果中涉及主观因素较多，那么就会导致判断结果与实际结果存在较大的误差。
其次，在对故障问题进行人工登记时，难免会导致漏登、错登行为的发生，弱化变电设备的检测精度。此外，传统的巡检方式还存在检测质量不高、劳动强度较大等诸多不足之处。
2、智能巡检机器人的应用前景
（1）全球化工产业转移带来发展契机
随着全球经济一体化进程的加快，国内外市场正逐步融为一体，全球化工产业向新兴国家尤其是中国的转移趋势渐趋明显。
近年来，世界主要大型化工企业为了节省研发支出，提高效率，降低风险，纷纷将产品战略的重点集中于最终产品的研究和市场开拓，而将涉及大量专有技术的中间体转向对外采购，充分利用外部的优势资源，重新定位、配置企业的内部资源。
在国际产业分工格局清晰的环境下，我国完整的产业链布局和配套设施以及相对较低的原材料成本和劳动力成本在国际上具有明显的比较优势。世界化工产业进一步向中国转移与集中，为我国石化行业的发展带来了难得的机遇。
（2）化工行业固定资产投资高速增长
化工行业具有周期性特点，随着2013年至2017年漫长的产能消化期的结束，自2018年下半 年行业进入新一轮的扩张期。2019年上半年化工行业投资完成额累计同比增长9.3%，年增速4.2%。
2020年受疫情冲击，化工行业投资放缓，随后在疫情新增需求及海外生产受限的情况下，化工产品价格景气反弹带动行业投资迅速回暖。进入2021年，双碳政策下，化工行业部分差异化产能扩张速度加快，带来差异化的扩张周期，化工行业投资完成额累计同比增长15.7%。
化工行业固定资产投资的高速增长势必带动相关巡检需求的增加，智能巡检机器人的出现，可从根本上减少化工领域运维人员巡检强度及人员配置，提高作业效率，增强石化生产网络的运行稳定性，是化工领域巡检发展的必然之路。因此，随着化工领域投资的高速增长，化工领域的智能巡检机器人需求也将迎来一轮爆发期。
（3）安全事故仍然频发，智能巡检优势明显，加强智能巡检势在必行
我国自2010年起就已成为世界第一化工大国，目前化工产值占世界总量的40%以上。化工生产过程复杂，反应条件苛刻，涉及的危险化学品易燃易爆、有毒有害，安全风险高，一旦管控不到位、发生事故容易造成重大人员伤亡和财产损失。虽然国内化工领域的安全防范意识已经有所提升，但每年化工领域安全事故仍然频发，2021年，全国共发生化工事故122起死亡150人，给全国人民带来巨大损失。
在石化设备巡检过程中，智能巡检机器人的融入，打破了以往传统巡检模式的格局，提高行业智能化程度，解决巡检效率低、劳动强度大等问题。智能巡检机器人通过沿站内既定轨道/自主规划线路巡视，可完全避免机器人的“脱轨”，最大程度地保障了设备的安全以及机器人的运行安全。同时，机器人通过搭载自主充电模块，可保障机器人全自动运行，为站内设备运行提供长时间看守服务。此外，可将加密系统架设至巡检设备终端和通信终端中，以提高巡检信息的安全性，避免设备信息泄露事故的发生。采用智能巡检机器人还可实现自动报警，提高化工行业危情处置效率。
（三）煤矿行业
1、行业痛点
随着煤矿井下原煤开采工作进程的不断深入，并下原煤运输皮带的数量将不断增加，皮带布局逐渐呈现数量多、倾角大、距离长等特点，且由于复杂的井下环境，导致传统的人工巡检面临着较大的安全事故隐患，并且在井下环境中巡检精度越发难以保障。在此背景下，市场对煤矿智能巡检机器人的需求日趋强烈。
2、智能巡检机器的应用前景
（1）煤炭生产稳定，事关国家能源安全
煤炭是我国的重要能源产品，在我国能源消费结构中占有重要地位，2021年煤炭在我国能源消费结构中占比达56.0%。中国作为全球第一大煤炭生产国，在未来相当长的时期内，煤炭资源在我国资源格局中仍会占据着重要地位。然而我国煤炭开采条件极其复杂，矿井现场环境复杂。因此，煤炭生产的稳定对国家实现能源安全具有重大意义。
（2）矿山智能化建设持续推进，智能巡检机器人需求旺盛
近年来，我国矿山智能化建设取得新进展和突破，目前，全国智能化采掘工作面已达到813个，已有29种煤矿机器人在370余处矿井现场应用。在当前"智能化”的时代下，机器人代替矿工井下作业是大势所趋。2016年以来，全国煤矿井下作业人员减少了共计37万人。如山东省通过五年建设，累计减少苦、累、脏、险岗位人员3.4万人，河南省累计减少5000余人，内蒙古自治区累计减少4376人。随着国内矿山智能化建设的持续推进，煤矿并下作业人员将逐渐减少，智能巡检机器人将在煤矿并下巡检领域“扮演”更加重要的“角色”。
（3）技术逐渐成熟，市场体系逐渐完善
我国煤矿市场已经经历了40多年的发展，已经经历了数字化、自动化、信息化等阶段，为智能煤矿的建设提供了基础支撑；同时物联网、大数据、云计算、人工智能、机器人、5G等技术的不断发展和成熟，为智能煤矿的建设提供了技术支撑；第三相关科研院校、装备制造企业及煤矿单位形成有针对性、系统性的煤矿智能化培养体系，为智能煤矿建设提供了人才支撑。
02 行业发展现状
一、产业链分析
（一）特种机器人概述及市场规模
智能巡检机器人上游为机器人的关键零部件供应商，主要包括伺服电机、减速机、工控机、红外热像仪、可见光相机、视频监控装置等。
上游行业属于完全竞争市场，产品供应较为充足，供应来源广泛，因此，上游行业的产能、需求变化对智能巡检机器人行业的发展影响较低。
智能巡检机器人属于高科技产品，其市场需求主要针对具有特殊工作环境、有较大需求和支付能力的下游领域。目前，智能巡检机器人的下游应用领域主要包括电力、石化、轨交、煤矿等行业。
1、上游：硬件(基础层)及技术支持(技术层)
智能巡检机器人上游为核心零部件厂商，核心零部件包括芯片、传感器、控制器、减速器及伺服电机等。上游厂商属于技术类公司，注重核心技术研发，硬件及核心零部件厂商以提升技术和降低成本为主要任务，A技术公司则以算法和数据为核心竞争力。
芯片和智能传感器具有极高的技术门槛，且生态搭建已基本成型，目前芯片的主要贡献者是Nvidia、Mobileye和英特尔在内的国际科技巨头。智能传感器领域主要被博世、欧姆龙、T、罗姆、NXP、AD1、英飞凌、楼氏电子、索尼、三星等巨头企业垄断。跨国公司占据了87%的市场份额，但国产替代在加速，核心零部件方面，国内有寒武纪科技、遂源等AI芯片企业，有思岚科技、镭神智能等传感器企业。
伺服系统与控制器市场较为集中，减速器赛头垄断。机器人的成本主要集中在零部件端，其中核心零部件的比例在70%左右，减速器、伺服电机、控制器占比分别为 36%、249%.12%。控制器领域，“四大家族”(ABB、库卡、发那科、安川)全部实现自给自足。
AI技术公司中，在核心算法和基础理论领域，美国是目前人工智能基础理论和算法发展水平最高的国家Facebook、谷歌、IBM和微软等科技巨头均重点布局人工智能算法及算法框架等高门槛技术。技术层解决具体类别问题，这一层级主要依托运算平台和数据资源进行海量识别训练和机器学习建模，开发面向不同领域的应用技术，包括语音识别、自然语言处理、计算机视觉和机器学习技术。
2、中游：智能巡检机器人本体及集成
智能巡检机器人中游是机器人本体厂商及系统集成商，一般这类厂商都属于综合解决方案服务商，公司注重需求定位，其产品质量以及生态构造是重要壁垒。得益于技术类公司的基础和AI算法的开源，应用层进入门槛相对较低。目前，中游机器人本体及系统集成服务商在智能选件机器人产业链分布中占比最大。
3、下游：各类应用场景
由于智能巡检机器人属于高新技术产品，其主要功能是替代人工进行巡检作业，需求较为前沿，从发现痛点到研发出针对性产品有一定周期，再加上必须要找到有较大需求的下游领域才容易放量、做到盈亏平衡，所以对企业的技术、渠道能力(营销教育能力)和战略眼光(市场选择) 等都要求较高。
目前来看，国内在电力(变/配电站巡检机器人、电网巡检无人机)、石化(防爆巡检机器人)、消防等领域已经开始出现成规模且具备较强盈利水平的企业，且均具备特有的技术、渠道壁，正在逐渐打破智能巡检机器人不好上量的固有印象。
二、巡检机器人价值链分析
价值链可以分为两个层面，一是上下游关联企业之间存在行业价值链(即产业链)，二是企业内部各业务单位的联系构成了企业的价值链。
产业链：供应（上游供应商)一一生产(制造商)一一流通(经销/零售商)一一消费(最终用户)。
企业价值链：研发一一采购/物流——制造/运行——市场/销售——分销/物流一一售后服务。
智能巡检机器人领域附加值较高的环节主要集中在研发设计、采购、运维等环节，生产、营销等环节附加值相对较低。
三、各领域智能巡检机器人头部企业榜单
四、产品解决方案及技术分析
（一）室内电力巡检机器人解决方案
需求分析：2010年以后，我国涌现了诸多研究机构和厂家开展了巡检机器人的相关研究工作，并在多个变电站完成了试运行。电力巡检机器人核心任务是明确机器人所在位置、下一步工作是什么，以及怎样去哪里完成巡检任务。所以要求所设计的机器人应拥有以下功能：
- 能以较快速度准时驶向既定的巡检任务地点；
- 在行驶过程中能智能回避各种障碍物，能做到不碰触高危设备，确保自身的安全性；
- 能安全顺利通过升降门 ;
- 通过可视化的操作界面能直接设定机器人的巡检任务以及查看其工作状态；
- 能在操作界面远程遥控机器人完成巡检任务，并根据实际需要予以拍照。
1、总体架构
电力巡检机器人主要具有以下功能：自动定位所在位置、自动确定导航路径、智能规避障碍物、智能拍照、实时上传巡检信息，最上层是上位机管理系统，主要提供机器人运行状态查看、设置巡检路线、发布巡检任务和拍照对象，以及提供手动遥控机器人的功能。中间层是逻辑核心层，是机器人的中央控制以及业务处理系统，借助传感器与摄像头来探测周边情况。硬件系统主要负责承担机器人的相关运用功能，可以转向以及给定速度行驶。
2、硬件架构
机器人的硬件将主要由中枢控制器、四轮全向机器人平台、垂直升降构成。其中中枢控制器主要负责数据信息的采集和处理，对机器人的运动姿态予以实时监控及控制。同时将机器人的传感器数据信息、运动状态信息等传输至中控机，并对相应的控制指令予以响应；四轮全向机器人平台是机器人的承载平台，将借助4个麦克纳姆轮实现驱动;垂直升降云台在控制器以及直流无刷电机的驱动及控制下，主要负责对机器人的多度检测：传感器系统主要包括激光雷达、超宽带定位模块等传感器而构成，通过多种传感器的协同配合，共同完成对机器人相关情况的判断。
超声测距：机器人由于将主要在电站的监控室、生产车间等较为复杂的环境下执行巡检任务，所以需实时探测和判断周围环境情况，是否存在障碍物、危险不可碰触高危设备等。避障传感器主要是借助超声探测方案来实现障碍物感知其具有发生和接收超声波的功能，当发出的超声波遇到障碍物后会发反射，接收器在接收到反射信号后将自动将相关距离信息计算出来并提供给机器人。可使用多个传感模块来构成一个传感器阵列，如此就能够对多个单点距离的信息进行综合分析。
电量检测：由于电池在放电过程中伴随电量的减少其带负载输出电压会下降较为明显，所以通过数字量化输出电压就能实现对电池其余电量的成功估计。但考虑到利余电量与带载输出电压两者间并非线性关系，因此通过这样的方法来估计得到的结果并不一定准确，所以考虑预先对电池负载放电特性加以估计和测定，以使所获得的电池电压值变得更加准。
升降云台：主要采用分布式控制的方式来控制垂直升降云台的运动。驱动器以及电机都将被配备控制器，在充分考虑成本的情况下对其予以模块化设计。而控制器内部将做到电机的闭环控制，把编码器所反馈的角度信息读取到以后作为反馈信号，从而借此实现对电机控制执行值的计算。其中水平控制单元主要负责水平方向的旋转，而重直升降单元将主要负责垂直方向的运动。分立的控制单元将作为从设备挂载于中枢控制器的CAN总线，在实现对电机独立控制的同时还可借助中枢控制器将相关协调工作做好。
通信接口：通过总线通信方式主要借助分立的控制器(Controller)来实现对中枢控制器连接的架构，各类传感器(Sensor)也是通过这样一种方式从而挂载于通信端口上。而中枢控制器将主要负责对各类数据的采集，并遵循设定的格式对这些数据加以打包传输。而上位机在收到相关指令信息后也会先将数据解析出来然后加以执行。
系统电源：主要是指两个部分，即中控机电源以及机器人平台电源。其中针对工控机电源将使用独立的锂电池(12V.40Ah)。考虑到该电池存在电压输出不够稳定，将对其借助 DC·DC 予以升压处理。平台电源能借助平台实现电压的稳定输出，能满足多个供电需求。
3、软件系统
软件系统包括中控机和上位机，主要是底盘以上的层级。其中中控机主要负责控制底盘运动、摄像头拍照以及控制云台升降等核心任务，上位机主要负责供用户向机器人发布巡检任务、查看机器人状态及展示运检地图等。
操作系统：为了机器人的各种功能能得以顺利实现，可以使用机器人操作系统ROS，这是专门针对机器人而开发出来的一种系统，是一套开源的系统框架，具有通用性、开源性、复用性、社区性等诸多优点，由于具备诸多功能，同时能免费用于商用或研究，因此有利于降低研究开发成本。
定位模块：可以通过对激光雷达(Laser radar) 和起宽带UWB)数据的解析来获得机器人的相关定位信息，但其会优先借助波算法(Filtering algorithm)来对UWB的数据予以优化，从而使所获取的定位信息更加精确稳定。还可以运用ROS的ACML包对线管数据再次加以计算，从而获得最终的定位信息。该模块既能够对两个定位信息予以单独使用，也可以融合使用。
导航模块：主要分为手动控制、局部路径规划以及全局路径规划，通过局部、全局两个子模块彼此间的协同配合能实现实时路径规划。但当机器人接收到手动控制命令后，此时机器人的控制权将被工作人员所接管，从而自动切换至手动模式状态，以供工作人员手动规划机器人的巡检路线。
巡检模块：机器人在接收到巡检任务后将自动规划路线开始巡检工作，期间依靠多个传感器来判断水平方向是否存在障碍物或不可触碰高危设备。同时根据巡检任务的实际需要，相关指令能够及时传达至摄像头以及升降云台，从而对其升降高度以及拍摄角度进行相应调整，确保拍摄效果。巡检功能主要还能完成危险情况紧急制动、通过升降门、设备拍照、手动控制等等机器人功能。
（二）石化领域防爆轮式智能检机器人解决方案
随着大型石油化工企业建设的不断扩大，油品、燃气、毒气、化学危险品等引起的泄漏爆炸、火灾等灾害隐患不断增加，为加强高危场所的巡检工作，巡检机器人应运而生，防爆轮式巡检机器人作为特种机器人的一种，在巡检工作中能够发挥举足轻重的作用。防爆轮式巡检机器人搭载一系列传感器，可代替巡检人员进入易燃易爆、有毒、缺氧、浓烟等现场进行巡检、探测，有效解决巡检人员在上述场所面临的人身安全、现场数据信息采集不足等问题。采用机器人巡检，既具有人工巡检的灵活性、智能性，同时也克服和弥补了人工巡存在的一些缺陷和不足，更适应智能场站和无人值守场站发展的实际需求，是智能场站和无人值守场站巡检技术的发展方向。
1、防爆轮式巡检机器人系统组成结构
防爆轮式巡检机器人系统由防爆轮式巡检机器人、巡检机器人本地监控后台和巡检机器人远程工作站组成。防爆轮式巡检机器人、巡检机器人本地监控后台和巡检机器人远程工作站通过无线方式进行通信。
防爆轮式巡检机器人。防爆轮式巡检机器人是巡检系统中的主体，防爆轮式巡检机器人主要由巡检机器人本体、驱动机构、RFID定位系统、前后导航组件、PID气体检测仪、前后避障传感器、防爆扬声器、天线、拾音器、防爆云台和自动充电组件等组成。
巡检机器人本地监控后台。巡检机器人本地监控后台位于机器人巡检区域附近，巡检机器人本地监控后台由一台服务器构成，通过无线方式，用于实现对防爆轮式巡检机器人的无线远程控制、参数设置以及完成与巡检机器人远程工作站的数据传输。
巡检机器人远程工作站。巡检机器人远程工作站包括:上位机、显示器和相应的监控软件，用于实时显示巡检设备的视频图像、报警信息、机器人位置等数据。上位机监控软件可采用C++语言进行开发设计，主要对机器人上传数据进行分析处理、异常报警及记录存档，实时刷新界面，浏览视频;机器人到达巡检位后，上传到位信号及点检位卡片号，通过卡片号调用相应云台预制点，初步寻找仪表或者阀门位置，通过分析确定目标在画面中的位置进行闭环调节，再次捕获清晰的目标照片进行状态、数据识别。
巡检机器人远程工作站利用无线通信方式，通过控制软件完成与巡检机器人本地监控后台的信息交换，同时也可实现对巡检机器人的远程控制，在远程工作站的显示器上能直观地反映出巡检机器人采集的视频信息及其他数据信息。远程工作站功能类似于人类的大脑，除了机器人本身的动作控制指令由此发布外，机器人所有的视觉、音频等感知信息在此进行分辨。如检测到设备异常时巡检机器人和远程工作站均会产生声光报警信息，提示用户及时检修，防患于未然。通过远程工作站能够形成实时报警记录、历史报警记录并存入远程工作站的数据库中，可按日期、按设备进行随时查询设备信息和存档图片。
2、功能与特点
图像识别功能
石化领域的巡检目标主要包括压力表、温度表、流量计、球阀、截止阀和蝶阀等等，经过预先标定，将每处需要拍照检测的目标观测点设置为云台的预置点，机器人通过导航及RFID定位运行到检测位后，自动调用云台进行拍照，然后将目标图像传送到远程工作站进行识别。可识别的信息包括:阀门开度、仪表指针读数、阀门有无泄露等。
声音采集功能
实时采集巡检区域内环境和设备的声音，如发现较明显的声音异常，则发出预警信号，从而达到及时发现故障、避免故障扩大的目的。
报警功能
如检测到设备异常时，巡检机器人和远程工作站均会产生声光报警信息，提示用户及时检修，防患于未然。通过远程工作站能够形成实时报警记录、历史报警记录并存入远程工作站的数据库中，可按日期、按设备进行随时查询设备信息和存档图片。
防爆功能
巡检机器人各组成部分均按照国家IIC防爆标准，采用隔爆型及本安型防爆技术进行处理，因此，具有防爆功能，可用于易燃易爆等高危环境。
自主充电和避障功能
当机器人电池电量不足时，巡检机器人自动行进到充电站，通过自动充电组件进行充电。在巡检过程中，如遇到障碍物，巡检机器人通过前后避障传感器，可自动避开障碍物，避免碰撞。
目前，国内七腾科技、中信开诚等企业研发的防爆轮式巡检机器人已在中石油、中石化等石化企业取得了广泛应用，完成了对泄压罐、污油罐、密度计、过滤器、减压间、质量流量计等输油设备的巡检工作，数据采集准确，图像清晰，故障报警及时。实际应用结果表明，智能巡检机器人工作可靠，运行状况稳定，节省了大量的人力物力，完全替代了人工巡检工作，减员增效取得明显效果，达到了无人值守的目的，取得了较好的经济效益。
五、巡检机器人行业商业模式分析
本体生产+系统集成模式是当下巡检机器人企业发展趋势，也是当前具备较高盈利水平的商业模式。目前国内外较为成功的企业都采用了“本体生产+系统集成”的全产业链模式，或是正在向上下游逐步渗透，实现全产业链模式的转程。
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