建筑機(jī)器人發(fā)展與關(guān)鍵技術(shù)綜述

摘要：介紹了建筑機(jī)器人在我國與國外的發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了建筑機(jī)器人研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，提出了未來建筑機(jī)器人的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：建筑機(jī)器人;發(fā)展現(xiàn)狀;關(guān)鍵技術(shù);發(fā)展方向

0 引言

目前我國建筑業(yè)雖然發(fā)展迅速，但是機(jī)械化、自動化程度比較低，建筑業(yè)屬于高危行業(yè)，存在安全事故多、勞動生產(chǎn)率低下、勞動力短缺等問題。因此，大力發(fā)展建筑機(jī)器人能在一定程度上解決建筑業(yè)面臨的困境。建筑機(jī)器人既可將建筑工人從危重的建筑環(huán)境中解放出來，保障工人的生命安全，又能提高建造施工的效率，一定程度上解決了勞動力短缺的問題。

1 建筑機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

國外對建筑機(jī)器人的研究較早，主要以發(fā)達(dá)國家為主，建筑機(jī)器人技術(shù)發(fā)展比較成熟，部分機(jī)器人甚至已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。

美國Construction Robotics公司的SAM100砌磚機(jī)器人采用半自動化工作模式，是世界上第一款真正投入現(xiàn)場砌筑工程的商用機(jī)器人，主要用于配合工人完成砌筑作業(yè)，減少了工人的磚料抓舉作業(yè)，據(jù)統(tǒng)計(jì)每臺砌磚機(jī)器人可提高3～5倍的墻體砌筑效率，實(shí)現(xiàn)高效砌磚目的。澳大利亞Fastbrick Robotics公司的Hadrian109砌筑機(jī)器人可以根據(jù)3D計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)繪制的住宅形狀和結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動砌磚，能夠連續(xù)24 h工作，只需2天時間就能建起整棟住宅[1]。韓國機(jī)械與材料研究院（KIMM）開發(fā)的WallBot被用來進(jìn)行外墻施工，實(shí)現(xiàn)墻體粉刷、平整和清潔等作業(yè)。瑞典nLink公司的Mobile Drilling Robot鉆孔機(jī)器人被用來進(jìn)行混凝土天花板的測量和鉆孔工作，通過專用APP設(shè)置孔徑、孔深等參數(shù)，便可在指定位置打孔，能夠達(dá)到毫米級工作精度。新加坡未來城市實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合ETH Zurich開發(fā)的MRT機(jī)器人能夠完成地瓷磚鋪貼作業(yè)[2]。新加坡Transforma Robotics公司開發(fā)的PictoBot墻面噴涂機(jī)器人、QuicaBot建筑質(zhì)量檢測機(jī)器人目前正在進(jìn)行真實(shí)環(huán)境施工測試。美國Doxel公司研發(fā)了施工監(jiān)控管理機(jī)器人，基于人工智能的計(jì)算機(jī)視覺軟件，根據(jù)數(shù)據(jù)掃描為項(xiàng)目管理人員提供建設(shè)項(xiàng)目全程的進(jìn)度追蹤、預(yù)算和質(zhì)量方面的實(shí)時反饋，能夠?qū)㈨?xiàng)目的建造效率提升38%，整體造價(jià)降低11%。

我國的建筑機(jī)器人研究起步比國外晚，相對于以前主要集中在大學(xué)和研究所的情況，現(xiàn)在有越來越多的企業(yè)參與到該領(lǐng)域中。

比如，由哈爾濱工業(yè)大學(xué)研發(fā)的壁面清洗爬壁機(jī)器人，適用于高層建筑的瓷磚表面以及玻璃幕墻的清洗工作[3];河北工業(yè)大學(xué)與河北建工集團(tuán)合作研發(fā)了C-ROBOT-I建筑板材安裝機(jī)器人，可以做到大尺寸、大質(zhì)量板材的自動干掛安裝[4];碧桂園集團(tuán)旗下的博智林機(jī)器人公司研發(fā)了多種對應(yīng)不同工種，比如地磚鋪貼、墻紙鋪貼、內(nèi)墻板搬運(yùn)和室內(nèi)噴涂等的建筑機(jī)器人，目前都已經(jīng)進(jìn)入建筑工地進(jìn)行測試。

2 建筑機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)

2.1? ? 空間軌跡規(guī)劃

由于建筑內(nèi)空間大小不是標(biāo)準(zhǔn)的，建筑內(nèi)部也存在各種各樣的障礙物，機(jī)器人作業(yè)空間有限，作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，要求建筑機(jī)器人能夠自動識別建筑物體，自動規(guī)劃作業(yè)路徑，要在有限的建筑空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)自動軌跡的規(guī)劃。

2.2? ? 多傳感器應(yīng)用

建筑機(jī)器人工作的前提是識別周圍環(huán)境，而各種各樣的傳感器能幫助機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)的建筑環(huán)境中識別各種類型的場景。例如：需要識別物體大小、空間范圍及行走過程中遇到的障礙物、溫度、壓力等，可能需要將雷達(dá)、紅外傳感器、壓力傳感器以及溫度傳感器等結(jié)合在一起，才能讓機(jī)器人有效識別自身所處的環(huán)境。

2.3? ? 非穩(wěn)定基礎(chǔ)的精確作業(yè)

建筑工地跟工廠環(huán)境不一樣，建筑工地的路面可能是坑坑洼洼的軟泥土路面，存在砂石、鋼筋、混凝土等，機(jī)器在這樣的路面作業(yè)會存在很大的干擾，時刻都在調(diào)整，且要求機(jī)器人能夠在目標(biāo)位置上精確定位，穩(wěn)定作業(yè)?？偠灾?，建筑機(jī)器人擁有快速響應(yīng)、精確定位的性能是工作的必要條件。

2.4? ? 機(jī)器人施工工藝

傳統(tǒng)建筑工人施工具有很強(qiáng)的靈活性，有經(jīng)驗(yàn)的建筑工人能夠快速處理好建筑墻角的粉抹不平，門窗框與墻體間隙大等問題。因?yàn)榻ㄖC(jī)器人不具備建筑工人的靈活性，所以建筑機(jī)器人的施工不是簡單復(fù)制人的施工方法，在沒有成熟經(jīng)驗(yàn)借鑒的情況下，需要探索出機(jī)器人的施工工藝，才能更好地提高施工效率。

2.5? ? 多機(jī)調(diào)度協(xié)同作業(yè)

基于建筑空間存在多種機(jī)器一起作業(yè)的情況，很容易形成空間的非同步性，導(dǎo)致建造資源調(diào)度性質(zhì)各異、相互牽制，因此需要建設(shè)一個多機(jī)調(diào)度協(xié)同作業(yè)平臺，根據(jù)各作業(yè)空間的建造資源協(xié)同特點(diǎn)，統(tǒng)一協(xié)調(diào)調(diào)度機(jī)器設(shè)備、人員和資源，實(shí)現(xiàn)作業(yè)空間、時間的最優(yōu)化。

3 建筑機(jī)器人發(fā)展方向及建議

3.1? ? 持續(xù)攻堅(jiān)建筑機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

建筑機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人相比，工業(yè)機(jī)器人是固定進(jìn)行操作的，物料是移動配合的，而建筑機(jī)器人是移動作業(yè)的，建筑物是固定被施工的[5]。所以建筑機(jī)器人要求有可移動的靈活性和較大的工作空間，需要在約束的空間內(nèi)完成特定的建筑作業(yè)工序。目前需要鼓勵相關(guān)的科研單位、企業(yè)持續(xù)地攻克建筑機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)，建筑機(jī)器人一定會有質(zhì)的飛躍。

3.2? ? 研究新型建筑材料和結(jié)構(gòu)

目前的建筑機(jī)器人主要根據(jù)傳統(tǒng)的建筑材料去設(shè)計(jì)和施工，而傳統(tǒng)的建筑材料不一定適合建筑機(jī)器人施工，因此要敢于突破材料的限制，可以根據(jù)建筑機(jī)器人的特點(diǎn)以及施工工藝，研究新型的建筑材料或者建筑結(jié)構(gòu)。

3.3? ? 擴(kuò)大機(jī)器人在建筑業(yè)中的應(yīng)用比例

當(dāng)前一些建筑機(jī)器人在不同的領(lǐng)域得到了不同程度的應(yīng)用，但是大多礙于機(jī)器人采購成本高、需要專門操作技能的人才、維護(hù)成本高等沒能得到大規(guī)模應(yīng)用。對于建筑機(jī)器人的研發(fā)，需要結(jié)合建筑建造和機(jī)器人技術(shù)，因此對于擁有房地產(chǎn)開發(fā)和機(jī)器人開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的公司具有比較大的優(yōu)勢，大型房地產(chǎn)企業(yè)擁有豐富的建筑應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和龐大的建造需求，擁有量大面廣的工地，可以為機(jī)器人研發(fā)提供實(shí)驗(yàn)場所，直接在工地進(jìn)行研發(fā)測試;機(jī)器人開發(fā)公司擁有機(jī)器人開發(fā)的軟硬件人才和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可以通過政策鼓勵雙方深入合作，推動機(jī)器人在建筑業(yè)的應(yīng)用。針對機(jī)器人的應(yīng)用推廣使用，可以加速傳統(tǒng)建筑設(shè)備的機(jī)器人化改造，提高設(shè)備綜合效能，讓建筑企業(yè)樂于使用機(jī)器人;加快現(xiàn)有機(jī)器人技術(shù)在建筑業(yè)的應(yīng)用，讓技術(shù)較為成熟的產(chǎn)品走出實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入工地測試，加快迭代速度，促進(jìn)建筑機(jī)器人逐步商業(yè)化。

3.4? ? 加大建筑機(jī)器人領(lǐng)域的人才培養(yǎng)

目前國內(nèi)對于建筑機(jī)器人設(shè)計(jì)人才的培養(yǎng)課程很少，出現(xiàn)懂建筑設(shè)計(jì)和建造的人不懂機(jī)器人設(shè)計(jì)，懂機(jī)器人設(shè)計(jì)的人不懂建筑方面的知識的尷尬局面，沒有很好地把建筑跟機(jī)器人領(lǐng)域的技術(shù)結(jié)合起來，因而限制了建筑機(jī)器人的發(fā)展以及建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。因此有必要加大對建筑機(jī)器人領(lǐng)域的教育投入，專門培養(yǎng)高素質(zhì)復(fù)合型人才。

4 結(jié)語

隨著國家大力發(fā)展機(jī)器人政策的推動以及建筑機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破，未來建筑機(jī)器人必定具有無限的發(fā)展?jié)摿Γ粌H可以促進(jìn)建筑機(jī)器人在建筑業(yè)的推廣和應(yīng)用，還能實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)的安全、高效、可持續(xù)發(fā)展。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 李朋昊，李朱鋒，益田正，等.建筑機(jī)器人應(yīng)用與發(fā)展[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2018，34（6）：25-29.

[2] 劉海波，武學(xué)民.國外建筑業(yè)的機(jī)器人化——國外建筑機(jī)器人發(fā)展概述[J].機(jī)器人，1994（2）：119-128.

[3] 李念勇.智能建筑機(jī)器人與施工現(xiàn)場結(jié)合的探討[J].建筑，2019（1）：36-37.

[4] 林治陽.建筑機(jī)器人在我國建筑業(yè)企業(yè)中的應(yīng)用障礙及對策研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2017.

[5] 蘇世龍，雷俊，馬栓棚，等.智能建造機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)研究[J].施工技術(shù)，2019，48（22）：16-18.

收稿日期：2020-03-01

作者簡介：周炎生（1992—），男，廣東茂名人，助理工程師，研究方向：機(jī)器人驅(qū)動與控制。