建筑機器人發展與關鍵技術綜述

摘要：介紹了建筑機器人在我國與國外的發展現狀，闡述了建筑機器人研發的關鍵技術，提出了未來建筑機器人的發展方向。

關鍵詞：建筑機器人;發展現狀;關鍵技術;發展方向

0 引言

目前我國建筑業雖然發展迅速，但是機械化、自動化程度比較低，建筑業屬于高危行業，存在安全事故多、勞動生產率低下、勞動力短缺等問題。因此，大力發展建筑機器人能在一定程度上解決建筑業面臨的困境。建筑機器人既可將建筑工人從危重的建筑環境中解放出來，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 建筑機器人發展現狀

國外對建筑機器人的研究較早，主要以發達國家為主，建筑機器人技術發展比較成熟，部分機器人甚至已經實現商業化生產。

美國Construction Robotics公司的SAM100砌磚機器人采用半自動化工作模式，是世界上第一款真正投入現場砌筑工程的商用機器人，主要用于配合工人完成砌筑作業，減少了工人的磚料抓舉作業，據統計每臺砌磚機器人可提高3～5倍的墻體砌筑效率，實現高效砌磚目的。澳大利亞Fastbrick Robotics公司的Hadrian109砌筑機器人可以根據3D計算機輔助設計系統繪制的住宅形狀和結構實現自動砌磚，能夠連續24 h工作，只需2天時間就能建起整棟住宅[1]。韓國機械與材料研究院（KIMM）開發的WallBot被用來進行外墻施工，實現墻體粉刷、平整和清潔等作業。瑞典nLink公司的Mobile Drilling Robot鉆孔機器人被用來進行混凝土天花板的測量和鉆孔工作，通過專用APP設置孔徑、孔深等參數，便可在指定位置打孔，能夠達到毫米級工作精度。新加坡未來城市實驗室聯合ETH Zurich開發的MRT機器人能夠完成地瓷磚鋪貼作業[2]。新加坡Transforma Robotics公司開發的PictoBot墻面噴涂機器人、QuicaBot建筑質量檢測機器人目前正在進行真實環境施工測試。美國Doxel公司研發了施工監控管理機器人，基于人工智能的計算機視覺軟件，根據數據掃描為項目管理人員提供建設項目全程的進度追蹤、預算和質量方面的實時反饋，能夠將項目的建造效率提升38%，整體造價降低11%。

我國的建筑機器人研究起步比國外晚，相對于以前主要集中在大學和研究所的情況，現在有越來越多的企業參與到該領域中。

比如，由哈爾濱工業大學研發的壁面清洗爬壁機器人，適用于高層建筑的瓷磚表面以及玻璃幕墻的清洗工作[3];河北工業大學與河北建工集團合作研發了C-ROBOT-I建筑板材安裝機器人，可以做到大尺寸、大質量板材的自動干掛安裝[4];碧桂園集團旗下的博智林機器人公司研發了多種對應不同工種，比如地磚鋪貼、墻紙鋪貼、內墻板搬運和室內噴涂等的建筑機器人，目前都已經進入建筑工地進行測試。

2 建筑機器人的關鍵技術

2.1? ? 空間軌跡規劃

由于建筑內空間大小不是標準的，建筑內部也存在各種各樣的障礙物，機器人作業空間有限，作業環境復雜，要求建筑機器人能夠自動識別建筑物體，自動規劃作業路徑，要在有限的建筑空間內實現自動軌跡的規劃。

2.2? ? 多傳感器應用

建筑機器人工作的前提是識別周圍環境，而各種各樣的傳感器能幫助機器人在非結構的建筑環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、紅外傳感器、壓力傳感器以及溫度傳感器等結合在一起，才能讓機器人有效識別自身所處的環境。

2.3? ? 非穩定基礎的精確作業

建筑工地跟工廠環境不一樣，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，機器在這樣的路面作業會存在很大的干擾，時刻都在調整，且要求機器人能夠在目標位置上精確定位，穩定作業。總而言之，建筑機器人擁有快速響應、精確定位的性能是工作的必要條件。

2.4? ? 機器人施工工藝

傳統建筑工人施工具有很強的靈活性，有經驗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。因為建筑機器人不具備建筑工人的靈活性，所以建筑機器人的施工不是簡單復制人的施工方法，在沒有成熟經驗借鑒的情況下，需要探索出機器人的施工工藝，才能更好地提高施工效率。

2.5? ? 多機調度協同作業

基于建筑空間存在多種機器一起作業的情況，很容易形成空間的非同步性，導致建造資源調度性質各異、相互牽制，因此需要建設一個多機調度協同作業平臺，根據各作業空間的建造資源協同特點，統一協調調度機器設備、人員和資源，實現作業空間、時間的最優化。

3 建筑機器人發展方向及建議

3.1? ? 持續攻堅建筑機器人關鍵技術

建筑機器人與工業機器人相比，工業機器人是固定進行操作的，物料是移動配合的，而建筑機器人是移動作業的，建筑物是固定被施工的[5]。所以建筑機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完成特定的建筑作業工序。目前需要鼓勵相關的科研單位、企業持續地攻克建筑機器人的關鍵技術，建筑機器人一定會有質的飛躍。

3.2? ? 研究新型建筑材料和結構

目前的建筑機器人主要根據傳統的建筑材料去設計和施工，而傳統的建筑材料不一定適合建筑機器人施工，因此要敢于突破材料的限制，可以根據建筑機器人的特點以及施工工藝，研究新型的建筑材料或者建筑結構。

3.3? ? 擴大機器人在建筑業中的應用比例

當前一些建筑機器人在不同的領域得到了不同程度的應用，但是大多礙于機器人采購成本高、需要專門操作技能的人才、維護成本高等沒能得到大規模應用。對于建筑機器人的研發，需要結合建筑建造和機器人技術，因此對于擁有房地產開發和機器人開發經驗的公司具有比較大的優勢，大型房地產企業擁有豐富的建筑應用經驗和龐大的建造需求，擁有量大面廣的工地，可以為機器人研發提供實驗場所，直接在工地進行研發測試;機器人開發公司擁有機器人開發的軟硬件人才和設計經驗，可以通過政策鼓勵雙方深入合作，推動機器人在建筑業的應用。針對機器人的應用推廣使用，可以加速傳統建筑設備的機器人化改造，提高設備綜合效能，讓建筑企業樂于使用機器人;加快現有機器人技術在建筑業的應用，讓技術較為成熟的產品走出實驗室，進入工地測試，加快迭代速度，促進建筑機器人逐步商業化。

3.4? ? 加大建筑機器人領域的人才培養

目前國內對于建筑機器人設計人才的培養課程很少，出現懂建筑設計和建造的人不懂機器人設計，懂機器人設計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器人領域的技術結合起來，因而限制了建筑機器人的發展以及建筑業的轉型升級。因此有必要加大對建筑機器人領域的教育投入，專門培養高素質復合型人才。

4 結語

隨著國家大力發展機器人政策的推動以及建筑機器人關鍵技術的不斷突破，未來建筑機器人必定具有無限的發展潛力，不僅可以促進建筑機器人在建筑業的推廣和應用，還能實現建筑業的安全、高效、可持續發展。

[參考文獻]

[1] 李朋昊，李朱鋒，益田正，等.建筑機器人應用與發展[J].機械設計與研究，2018，34（6）：25-29.

[2] 劉海波，武學民.國外建筑業的機器人化——國外建筑機器人發展概述[J].機器人，1994（2）：119-128.

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

[4] 林治陽.建筑機器人在我國建筑業企業中的應用障礙及對策研究[D].重慶：重慶大學，2017.

[5] 蘇世龍，雷俊，馬栓棚，等.智能建造機器人應用技術研究[J].施工技術，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：機器人驅動與控制。