女博士战场扫雷：安防机器人的技术必须由我们掌握

发展无人化特种装备，是对国家安全战略的深刻贯彻。早在2010年上海世博会，安防机器人就曾现身于外围安保系统，巡查、预判、排除不安定因素，为展会顺利举办保驾护航。上海合时机器人科技有限公司是这批安防机器人的研发商，其创始人卢秋红博士深耕机器人领域多年，在机器人技术用于侦察、排爆、打击方面有深厚的技术沉淀。

和平年代，当居安思危。

2024年，是上海合时机器人科技有限公司（以下简称“合时”）成立的第17年，也是卢秋红博士专注于安防机器人研发工作的第17年。毕业于上海交通大学，后来离开从教岗位自主创业，卢秋红和她带领的机器人研发团队造出的安防机器人，曾在上海世博会、杭州G20峰会、上合组织会议、中越边境扫雷等场合做出重大贡献。

图1 卢秋红和她的机器人在扫雷战场

“我们的国家很安全，对安防机器人的用量需求不大，但机器人的技术必须由我们掌握。”卢秋红诚恳道，“总有一天，我们需要机器人代替人深入险境，转移、拆解或销毁可疑危险物品。”

圈外人对于安防机器人的印象是“一款移动的摄像头”，而卢博士指出这种说法具有欠缺之处：“从外表来看，机器人具有两大突出功能——移动和摄像，但是其中技术繁杂，不能一言以蔽之。”她还强调，安防机器人除了要有能观察环境的“眼睛”，还要有能操作的“手”，能在检查到危险后立即做出处置。合时兼修硬件技术与软件工程，不断完善机构设计、迭代控制算法，研发功能多、更易用的安防机器人。正如卢秋红所言，“除了巡检，未来机器人一定能为人类做更多的事情”。

野外环境自主导航

和目标识别技术

塑造机器人对周围环境的感知能力，有两大必要性。第一，实时识别四周障碍，采取合适的姿态顺利通过障碍。第二，提升机器人与环境互动的准确性，为机器人搭载不同末端，以及实现压、夹、划、剪等操作提供可能性。合时自主研发的野外环境自主导航和目标识别技术，可以帮助机器人提升空间感知能力，让它们运动起来更加“从容”，同时让机器人的操作控制方式更智能。

图2 合时的安防机器人

据卢秋红介绍，野外环境自主导航和目标识别技术分为三个模块：路径规划与评估模块、环境感知与信息处理模块，以及视觉与交互模块。主要运用到五大技术：多传感器信息融合、目标分割及识别、SLAM算法、导航和路径规划。

图3 复杂野外环境导航技术路线图

“导航和识别”是一个庞大的概念，可以将以上三个模块理解为远程、中程和近程三个阶段。举个例子，我们驱车前往某地点时，要先规划全程路径，再根据周边道路拥堵情况随时更改路径，最后，在行程中实时注意行车安全。

相似地，在远程导航中，合时应用“GPS+北斗”复合导航来确定机器人本体的位置，确认活动范围或规划整体路径。由于机器人的野外工作环境范围大、复杂程度高，机器人做三维建图时，将结合卫星地图和卫星天气信息，制定最佳行进路线。在进入工作状态后，机器人也会结合天气信息做路径的动态调整，并回传气象数据到控制中心。

在中程，机器人搭载平台的运算和存储能力有限，不适宜获取整块地图的详细信息，这时需要用到信息处理技术。合时应用最新的通用图像分割技术SAM（Segment Anything Model），依据地形特征将地图分为可驶入区域和不可驶入区域，其中，可驶入区域又分为障碍层、威胁层和道路层，方便机器人做路径规划。合时应用基于深度学习的SLAM（Simultaneous Localization and Mapping，同步定位和建图）算法，融合多模态传感器数据，构建周围环境地图并推测自身定位。此外，合时从客户不同侧重点出发，设计了速度优先、最短路径优先等六种路径规划的算法；基于“人工势场法”模拟复杂的野外环境因素，评估路径的风险；多层次做路径识别规划，来训练机器人模型局部规划路径的能力。

图4 卫星地图通用模型分割结果

在近程，机器人近距离导航主要用激光雷达和深度相机、三光相机等图像采集设备。在运行中，当机器人识别到陡坡或楼梯时，将依据图像分析评估是否有能力越过，以及将采取何种姿态越障。如果超出了能力范围，机器人会自动绕行。在行驶过程中，机器人搭载的传感器将实时把俯仰角等数据反馈到决策系统，决策系统输出控制指令到硬件系统，帮助机器人随时调整姿态适应坡度。合时建立机器人动力学模型，除爬楼梯之外，训练轮式和履带式机器人越过沟壑、水坑等地面障碍，也可以通过软件仿真搭配实机验证来完成。机器人用多种传感器做信息融合，把周围环境信息都采集传输回控制中心，有了人的监测，机器人本体也更安全，对外界执行任务也更可靠、更高效。

持续攻克本地化发展

“最后一公里”难题

目前，安防机器人产品的国产率已经达到90%以上。“机器人所用到的相机和电池基本实现国产化，电机参数和芯片性能比国外的稍逊色一些，但基本上可以使用。”卢秋红分析道，“但机器人某些硬件机构的本地化发展率还有提升空间，比如电机驱动器、特种传感器等。”

为帮助身形小巧的机器人有百斤以上的负载能力，合时自主研发了一种大功率驱动技术，目前已应用于十几款成熟产品上。“对于在野外工作的安防机器人，它要爬坡、爬楼、越障，还要承受很大的负载，就需要大功率驱动。”卢秋红介绍道，“针对这部分，我们自研了一种电机的驱动控制器及算法，保证电机能够在大功率下比较可靠，而且运作平稳。”此外，防爆设计也是卢秋红非常认可的自研技术之一，它小巧安全，其中的防爆电路属于合时的专利技术。

合时是国家高新技术企业和“专精特新”企业，曾参与制定5项国家标准，拥有一百多项知识产权。在技术研发方向上，“前几年，我们在机构上投入的精力比较多，因为特种机器人亟需提高可靠性以适用野外环境。”卢秋红娓娓道来，“近两年来，我们在人工智能算法上投入精力更多，例如复合的人工智能导航大模型等。ChatGPT推出后，我们快速响应，用大模型训练机器人的语音识别和对话能力，提升易用性，未来有望使机器人处置更复杂的任务。”

开拓产品应用广度

未来，在危险环境中工作的人类应该越少越好，让设备、机器人代替人类从事这些危险性工作，是包括合时在内的无数特种机器人研发方的愿景。其实，安防机器人在民用层面也可以给人类带来贡献。石油化工厂、化学品车间等危险场合的巡检可以由安防机器人负责，再如近期的甘肃地震，机器人可以参与人员搜救工作，或许未来能帮助医护人员为伤员止血包扎，完成一些简单的医护工作。为扩展安防机器人的应用广度，合时持续投入机器人本体结构和上部机械臂智能抓取技术的创新研发，“未来，合时会尝试研发一些轮足式、仿生多足式、复合式的机器人产品，期待它们能应用到更多场合。”卢秋红提到。

卢秋红经常和研发团队说“‘合时’取自易经，讲究‘与时偕行’”。与时偕行，是把握时机提前谋划，在恰当时刻运作发展。在合时刚刚成立时，她就看到老龄化社会的发展趋势，将研发方向确立为养老机器人。在一段时间的探索后，初创团队发现养老机器人的技术和市场还远远没有成熟，经过一番调研，将核心产品和研发方向定位于特种机器人。“我认为当下是研发养老机器人的良好时机，结合国家发展银发经济、推广智慧养老的举措，我们将重新启动养老机器人的研发。”卢秋红谈道。

同时，合时积极响应《人形机器人创新发展指导意见》，正与上海交通大学及复旦大学的人工智能团队合作，共同开发仿生人形机器人。“我们准备用半年至一年的时间把样机做出来，主要先应用于有危险场景的领域，例如监测气体泄漏，关闭电源或放气阀门，搬运易燃易爆物等，它的功能应该十分广泛。”卢秋红着重强调道，“和研究机构不同，合时研究人形机器人还是侧重于特种场景下的实际应用落地。”

机器人被誉为“制造业皇冠顶端的明珠”，是将数字经济与传统工业深度融合的重要载体。作为特种机器人领域从业者，合时持续加快机器人技术研发和产业应用，形成企业特色制造优势，有效增强供应链韧性，与众多高精尖技术企业共同助力新型工业化的发展。

阅读更多内容，欢迎订购《机器人产业》杂志。

点赞关注不迷路

关注“雷克智能”公众号后不要忘记星标