未来的机器人会是什么样子丨未来机器人应该是什么样子

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传统的人工巡视存在工作效率低、劳动量大、人数不足和环境恶劣的通病，在巡检效率和企业效益提升方面都存在不少问题。

随着人工智能技术、自动识别技术以及机器人行业的快速发展，智能巡视机器人既降低了人力消耗以及技术问题，又能准确地提供检测精度，已经逐步发展为与人工巡检“并驾齐驱”的巡检新模式。

今天，让我们专注于“巡视机器人”这个细分领域，从架构的角度对其现状以及未来发展方向进行分析。

巡视作业机器人现状

巡视机器人隶属于复合类机器人，即是一种集成移动机器人和通用工业机器人两项功能为一身的机器人。

以上图的联想晨星机器人X1为例，它是由轮式机器人串联手臂机器人以及感知系统组成。联想晨星机器人Q1则是由足式机器人，加串联手臂机器人外加感知系统组成。相比于AGV / AMR和机械臂的单一功能，既集合了两者的特性又更显柔性化。

巡视机器人市场前景广阔，潜力巨大，特别是现在人力成本逐渐攀升，在危险恶劣的作业环境下,许多企业急需利用机器人替代人工进行巡检作业。

虽然处于蓝海阶段，但不可讳言的是，巡视机器人的市场仍旧不成熟，没有形成市场规模，需求也是千奇百怪，导致非标项目较多，可量产产品较少。

那么问题到底在哪里？

①无统一行业标准，巡视作业机器人厂商各种为政，各家都在建立自己的生态链。相互壁垒很深，导致机器人、调度系统、巡视管理系统之间绑定很深，互相很难交叉混用；

②没有真正把握客户痛点，巡视作业机器人目前的市场，厂家有些远离客户，无法真正触及到客户的痛点，导致花费很多人力物力，创造出来的产品无法真正解决用户的问题；

③集成难度大。需求千奇百怪，存在各种巡视应用，很难用一款产品涵盖这些需求，这就导致非标需求很多，集成难度上升；

④缺少标准化的产品，由于前几条原因的存在，导致很难将巡视作业机器人标准化为一个量产产品；

⑤技术有待提升，智能化不足。巡视作业机器人在巡视监测、自主管理、与调度管理上离完全智能化还是有不少路要走；

⑥通过性与稳定性有待提升。目前不论是足式机器人或者轮式机器人的通过性都受限制，所以导致很多场景无法正常工作；且由于绝大多数巡视作业机器人没有量，导致其没有被长期系统性的测试与优化，最终导致产品稳定性不足；

⑦成本居高不下。巡检机器人中包含多台控制器主机，资源浪费较为严重，物料成本与研发成本都很高。

这些问题中，大多数都直接或间接和软件系统互相影响，所以软件架构的优化，将非常有利于解决以上的一些痼疾。

目前巡视作业机器人架构大致如下：

运动控制主机：分别为足式、轮式机器人或者手臂机器人的运动控制系统；

智能识别系统：在巡视作业中，负责对被检测物体进行状态监控；

智能感知主机：为巡视作业机器人的中央逻辑处理模块；

机器人调度系统：负责调度旗下管辖的机器人群组；

巡视管理系统：负责定义巡视规则与巡视对象。

接下来，我们逐个重点模块来进行解析。

1

运动执行模块

虽然实现方式完全不同，但不论是轮式机器人还是足式机器人都可以抽象为控制器系统 驱动器 电机几大部分组成。所以不管是足式机器人或是轮式机器人，都可以抽象出相同的接口，供智能感知系统进行调用。因此使得运动控制模块与智能感知系统之间能相互独立，没有耦合，符合模块化设计思想。

如下图足式机器人或轮式机器人的ROS Node向下调用SDK，向上暴露标准的geometry_msgs::msg::Twist消息，供其他ROS程序调用。由于该模块目前的设计是比较科学的，未来也会继续沿用，因此这里不做重点讨论。

2

感知系统

感知系统是巡视作业机器人的大脑，其接受来自外部各种传感器设备的输入，然后进行各种逻辑与算法处理之后，向执行机构输出相应的决策，像极了我们的大脑的工作方式。

感知系统的设计，如今主流都是选用ROS系统。ROS系统本身就是一套非常优秀的机器人操作系统，其本身的模块化与可扩展性，还有外设接口的抽象化都做得非常优秀。所以借助ROS系统的优势，我们可以将主要精力放在感知系统的内部逻辑与算法设计上，而不需要投入太多精力在处理外设的变化，或设备间的数据交互的通信协议上。从而大大提高了开发效率以及功能模块的可重用性等。

感知系统的架构如下图所示：

ROS虽然很完美，但其也有一些弊端，比如ROS1过渡到ROS2后，原来ROS1开发的代码就不能继续使用，存在兼容性问题。

在未来的架构设计中，需要考虑到将来ROS版本变化时，尽量避免由于兼容性问题而导致核心软件模块需要重写的问题。所以我们在设计ROS代码时，可以将核心功能封装成非ROS的Library库文件，因而当ROS有较大的版本变动时，仅仅需要修改ROS模块，而这些Library库文件将不需要做修改，提高了代码的可重用性与稳定性。其架构如下图所示：

3

上层标准通信协议

目前的巡视作业机器人厂商很多，但无标准的通信协议。因此各家机器人对外的通信接口都是私有协议，这将导致不同厂商的机器人之间无法互相替换使用。这对于客户来说，意味着如果其购买的是A品牌的巡视作业机器人，那么其需要配套的购买该品牌的调度系统A与巡视管理系统A等等。

另一方面对于巡视作业机器人厂商B来说，如果要出售其生产的机器人B，就得配套提供调度系统B与巡视管理系统B。由于A、B之间产品无法混用，导致各厂家需要重复造轮子，无疑增加了各个品牌之间的壁垒，同时也阻碍了巡视作业机器人量产与标准化。

未来，如果能制定一套统一的巡视作业机器人标准协议，吸引各家巡视作业机器人加入并遵守该协议，那么将会从根本上解决这个问题。

但是，在目前不确定未来机器人将使用什么协议作为标准时，在设计巡视作业机器人未来架构时，需要在对外的通信接口与感知系统上的逻辑算法模块之间添加一层协议抽象层，以便将来能快速适配不同的协议。

4

视觉智能检测模块

在巡视机器人架构中，视觉智能检测也是一个非常重要的模块，负责对被检测对象进行分析判断，并将分析结果反馈给巡视作业机器人主控器。由于视觉智能检测系统是一个相对独立的模块，且和巡视作业机器人主控之间是通过网络进行通信，在架构上相对比较独立。

未来在架构上主要从两个方面对其进行优化。

- 视觉智能检测模块与机器人主控器之间没有标准协议，所以未来软件架构中可以将视觉智能检测对外接口做好抽象与隔离，不要影响巡视作业机器人主控系统的功能；

- 从成本考虑，未来可以将视觉智能检测系统部署到机器人主控器上运行，从而节省一台工控机的成本。所以在软件架构设计上要考虑两套系统的运行环境兼容，以及CPU资源的分配问题。

5

调度系统

通常在一个应用场景中，会有多台巡视作业机器人同时工作，所以调度系统俨然像一支军队的司令，担当军队统帅的角色，统筹调度指挥各台机器人完成各种作业任务。

调度系统在整体架构中，处在巡视系统与机器人之间的位置，向上会与巡视管理系统数据交互，向下会与巡视作业机器人进行交互，所以调度系统对外的接口也同样面临需要有标准协议的问题。否则如果底层的巡视机器人有其他品牌替换时，或者巡视管理系统变更时，都会导致与调度系统之间无法正常通信的情况。

因此调度系统未来架构设计时，其向上与向下的接口都需要进行抽象，目标有二

- 调度系统支持其他品牌机器人无缝接入，即只要该机器人符合标准行业协议，即可被该调度系统调度；

- 由于未来调度系统与巡视管理系统之间有标准接口，所以调度系统未来可无缝接入其他品牌的巡视管理系统。

从而达到巡视管理系统、调度系统、机器人三者之间不再绑定，而是互相隔离，支持任意品牌产品之间混用。

6

巡视管理系统

巡视系统主要职责是负责从总体上创建巡视任务、设置巡视规则、记录查看以及处理巡视结果、同时充当巡视机器人状态显示的功能。

未来的巡视系统，应该是一套集各种操作角色为一体的完整系统，如巡视员、部署员、高级管理员等角色。当以部署人员，或高级管理员角色登录时，用户能够直接对调度系统或机器人进行相关设置。当然巡视管理系统技术路线上，还是会选择web方式。

对元宇宙、AI眼镜等技术的支持，也将会成为巡视管理系统的主要功能，未来用户可以沉浸式地查看巡视对象，随着元宇宙的兴起与技术普及，这将是未来的一个趋势。

总结

巡视作业机器人作为智能化的复合型机器人，但目前仍处于快速发展阶段，在技术上的更新迭代速度会很快。在对其架构进行设计优化时，需要综合考虑机器人的成本、稳定性、兼容性、可扩展性等因素，以便未来能很灵活的适配兼容新的技术路线。

①融合性：未来的巡视作业机器人可能会进驻家庭生活场景中，所以在未来架构设计上，需要考虑将其与物联网产品进行融合；

②安全性：“安全”将成为巡视作业机器人未来重要的指标，不论是生产还是生活场景中，它都必须完完全全保证其安全可靠，在未来的架构设计中需要充分考虑安全的因素；

③元宇宙的一部分：随元宇宙的兴起，巡视作业机器人将会和元宇宙完美配合，未来架构设计中需要预留好与元宇宙通信的接口；

④综合性：足式机器人、轮式机器人、以及机械臂、甚至双足机器人在未来需要继续提升各自的性能与作业能力，从而使巡视作业机器人综合性能更强；

⑤易于配置、即插即用：如果每一台机器人需要配一名专业人士才能操作的话，其将无法进入普通消费市场；

⑥稳定性：不言而喻将是未来设计中长期努力的方向；

⑦智能化：未来机器人需要具备自我管理、自我学习、与人沟通、自我决策等能力，即智能化与深度学习等技术会在未来架构中占据比较重要的位置；

⑧接口标准化：各个品牌的机器人之间需要可互相兼容，能互相替换。所以架构设计中需要为未来标准化接口做好抽象准备；

⑨低成本是趋势：在未来架构设计上，需要精简冗余功能，通过合理的架构，节约CPU等硬件资源来降低一些成本。

当然没有一劳永逸的优秀架构，一切都需要在现实项目中不断的测试、优化与改进。但只要方向正确，未来我们的巡视作业机器人将越来越成熟，进而真正做到人机协同，以机代人去完成各项工作。

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