面向工地作業環境的砌墻機器人研究

張英楠 汪小林 陳 澤 孟 浩 秦 川

1. 上海建工四建集團有限公司 上海 201103;

2. 上海大界機器人科技有限公司 上海 201900

“十三五”時期，世界范圍內的科技發展浪潮已逐漸從互聯網時代邁向人工智能時代，各行業積極推動智能技術融入產品加工制造過程中，涌現出無人工廠、無人碼頭、無人駕駛汽車、智能勘探機器人、智能家居設備等多種智能產品，為企業生產及人民生活帶來了極大便利[1]。作為長期以來國民經濟的支柱產業，建筑業為我國經濟持續、健康、穩定發展提供了有力支撐。通過行業從業者多年來的不斷探索與不懈努力，我國建造技術已發展成為世界一流水平，完成了多項舉世矚目的“世界工程”。但作為嚴重高度勞動密集型行業，建筑業生產方式依然比較粗放，管理方式規范性較差，距離高質量、高標準的行業發展要求仍存在較大差距，亟需推動建筑業工業化、數字化、智能化轉型升級發展[2-3]。

近些年，隨著國家政策的深入落實與實際需求的不斷推動，我國建筑機器人研發工作已逐漸開展，包括輕鋼龍骨隔墻裝配機器人、地板鋪設機器人、碼磚機器人、瓷磚鋪貼機器人等工廠試驗型產品[4-6]。然而，由于相關人才缺乏、理論體系不完善、技術水平不成熟等諸多問題，我國建筑機器人的研發工作缺乏實質性進展，仍停留在戰略轉型升級的起步階段，缺少受市場廣泛認可的建筑機器人現場應用型產品，因此，需要以建筑生產“提質增效”為基本目標，針對現場應用環境的難點問題，開展科學化、系統化的建筑機器人相關研究，并研發相應建筑機器人裝備應用產品。

鑒于上述背景，本文以砌墻機器人為研究對象，針對工地現場復雜多變的施工環境，開展了面向現場施工作業條件的砌墻機器人裝備研發與自動砌墻技術研究，建立了具有越野性能的砌墻機器人移動系統以及高度智能化的自動砌墻集成系統，研發了砌筑機器人整體裝備，并開展了工廠實驗室砌筑試驗與工地現場樣板砌筑試驗，驗證了砌筑機器人裝備在施工現場作業的可行性與適用性。

1 砌墻機器人裝備構成

針對施工現場的復雜作業環境，以實現“定位—上磚—抹灰—擺磚”的自動化砌筑全過程為基本目標，本文提出的砌墻機器人裝備構成主要分為以下四部分。

1.1 越障移動底盤

砌墻機器人的可移動性是保證其能在施工現場穩定工作的關鍵性能之一，如何適應施工現場泥濘、坑洼、陡峭的惡劣地面條件以及大量的地面障礙物是工程師設計移動底盤時重點關注的問題。鑒于此，本文提出的砌墻機器人移動底盤采用了多舵輪系統，共有4個舵輪，每側2個，使用相同的電動機驅動，并利用鋰電池為其供能，主要用于負載砌墻機械臂的移動，如圖1所示。

圖1 多舵輪移動底盤

為了增加越野與避障能力，移動底盤的舵輪使用了充氣橡膠輪，與傳統的麥克納姆輪相比，顯著提升了克服障礙物干擾的能力，增加了移動敏捷性。此外，移動底盤還使用了差速驅動的控制機制，可使4個舵輪同時全向移動。與Ackermann驅動等其他驅動機構相比，差速驅動可使移動底盤沿任何所需的路徑與方向移動，其基本機制主要有以下三點：

1）為了實現原地轉彎（零半徑轉彎），2個舵輪應具有相同的速度，但方向相反。

2）為了沿當前方向線性移動，2個舵輪應具有相同的速度。

3）對于彎曲的運動路徑，舵輪的速度是線速度值與角速度值的組合。

經測試，此移動底盤具有越障高度大于4 cm的越野能力，能夠滿足大多數工地場景下的移動條件。

1.2 自動上磚裝置

砌墻機器人自動砌筑過程中，上磚是必不可少的關鍵動作。為了實現砌筑過程中的自動化上磚，本文提出了包含運輸底盤（與上述移動底盤一致，同為多舵輪系統）、2條傳送帶、激光定位模組等部件的自動上磚與磚塊定位系統，以作為砌墻機器人的自動上磚裝置，如圖2所示。

圖2 自動上磚與磚塊定位系統

1.3 自動抹灰裝置

自動抓取磚塊后，砌墻機器人需要進行抹灰工作。本文提出的自動抹灰裝置與上述自動上磚裝置組合成一個整體，通過人工將磚塊放置于傳送帶上，輸送至指定位置后，利用機械臂抓取磚塊至砂漿泵出口，使用螺桿式砂漿泵送裝置泵送成品黏結砂漿至磚面上，完成自動抹灰動作，如圖3所示。

圖3 螺桿式砂漿泵送及抹灰裝置

1.4 砌墻機械臂

砌墻機械臂是本文提出的砌墻機器人裝備核心，負責磚塊的自動抓取、自動抹灰與自動擺放。砌墻機械臂采用六軸機械臂，能夠實現多自由度的位姿調整，此外，機械手附帶2塊非真空海綿吸盤，可適應標準尺寸的非空心砌塊磚，同時，底部配置了自調平底盤，可實現砌墻機械臂的快速調平與機械手的精準定位。

綜上，越障移動底盤、自動上磚裝置、自動抹灰裝置與砌墻機械臂共同組成砌墻機器人整體裝備，如圖4所示。

圖4 砌墻機器人整體裝備

2 砌墻機器人自動砌筑技術

施工現場存在大量的碎片導致計算量增加，而使生產效率降低。為了使機器人能夠精確導航至已分配的目標位置，首先需要解決其定位問題。此外，建立砌筑動作自動控制算法是砌墻機器人完成“定位—上磚—抹灰—擺磚”全過程自動砌筑的另一關鍵。鑒于此，基于上述提出的砌墻機器人整體裝備，本文提出了砌墻機器人高精度定位與導航技術以及虛擬砌筑技術，通過內嵌智能控制算法的控制系統，以實現砌墻機器人的自主行走與自動砌筑。

2.1 高精度定位與導航技術

機器人的定位與導航是指機器人在某一未知環境中從某一點開始移動，在移動過程中根據位姿估計與地圖進行定位，并構建增量式地圖完成路徑規劃[7]。目前，Slam視覺已成為機器人實現自主移動的基礎技術[8]。在砌墻機器人砌筑時，Slam視覺可實時感知機器人位置，使機器人向目標位置自主移動。現有的Slam視覺開源算法包括Gmapping算法、Hector Slam算法與Cartographer算法。其中，Gmapping算法是目前應用最為廣泛的二維Slam算法，其利用粒子濾波器實時構建室內地圖，在構建小場景地圖時所需的計算量較小且精度較高，但隨著場景增大，所需粒子增加導致內存與計算量增加，因此，不適合構建大場景地圖。此外，Gmapping算法嚴重依賴里程計，無法適應地面不平坦的區域，難以適用于砌墻機器人施工現場應用環境。Hector Slam算法則無需使用里程計，具備在不平坦區域實現地圖構建的可行性。該算法利用已經獲得的地圖對激光束點陣進行優化，估計激光點在地圖中的表示與占據網絡的概率，但需要配備高更新頻率、測量噪聲小的激光掃描儀，并且要求機器人移動始終保持較低速度。Cartographer算法采用目前主流的特征提取、閉環檢測與后端優化的三段式Slam框架，利用掃描匹配技術，獲得的每一幀激光掃描數據會在最佳估計位置處插入子圖中，在生成一個子圖后，均會進行一次局部回環，并利用分支定位與預先計算的網格，待所有子圖完成后會進行全局回環。該算法避免了里程計依賴與機器人移動速度限制，適用于室外、大場景、不平坦區域的機器人定位與導航。因此，本文將Cartographer算法作為砌墻機器人高精度定位與導航的核心算法。

此外，本文將ROS導航作為砌墻機器人導航系統的基本結構，結合Cartographer算法，ROS導航可根據地圖信息與障礙物位置、形狀、速度限制、機器人體積等其他參數，自動搜尋機器人高效移動路徑，并使機器人自動從給定的地圖位置移動到定義的目標點。圖5為利用ROS導航控制砌墻機器人自主移動示意。

圖5 砌墻機器人自動定位、路徑規劃與導航

2.2 虛擬砌筑技術

砌墻機器人在開展實際砌筑工作前，需要在軟件中完成虛擬砌筑，以模擬實際砌筑路徑、砌筑速度與砌筑效果（圖6）。本文提出的虛擬砌筑技術是基于Rhino軟件建立的，砌磚模型與砌筑路徑可在Rhino軟件中自動生成，完成自動上磚與抹灰。當砌墻機器人完成一個移動操作時，可根據平鋪方向、操作編號與圖塊大小為下一個平鋪位置生成目標點。如果下一個平鋪位置在同一行中，則砌墻機器人將根據目標點的位置向前或向后移動。如果當前操作單位是該行的最后一個單位，且砌墻機器人需要切換到下一行，則將生成一系列路點，并自動命令砌墻機器人以相應順序到達這些路點。其中，分配多個路點可確保砌墻機器人在運動過程中避免途經先前放置的磚塊，切換行的移動方向也能夠使平鋪過程更加流暢與高效。

圖6 基于Rhino的砌墻機器人虛擬砌筑

3 工廠實驗室砌筑試驗

基于上述提出的砌墻機器人裝備及其自動砌筑技術，本文開展了工廠實驗室砌筑試驗，以測試砌墻機器人的基本功能與墻體砌筑質量。砌筑試驗將清水磚作為砌筑材料，試砌直墻，試驗效果如圖7與圖8所示。結果表明，砌墻機器人能夠實現自主導航與定位、自動抓磚、自動抹灰、自動擺磚的自動化砌筑工作流程，砂漿飽和度實測值達到95%，砌筑墻體平整度與垂直度偏差分別為2.5 mm與3.5 mm，均滿足相關施工質量驗收規范要求。

圖7 砌墻機器人抹灰測試

圖8 工廠實驗室砌筑試驗墻體

4 工地現場樣板砌筑試驗

基于上述工廠實驗室砌筑試驗結果，為了進一步測試砌墻機器人在真實施工場景中的適應性與穩定性，在某實際工程的施工現場，開展了工地現場樣板砌筑試驗。砌筑試驗仍以清水磚為砌筑材料，試砌略帶弧度的清水墻，現場砌筑過程與樣板試驗效果分別如圖9與圖10所示。

圖9 砌墻機器人現場砌筑

圖10 現場試驗砌筑墻體

結果表明，面對施工現場復雜多變的工作環境，砌墻機器人能夠實現自動越障移動，并完成自動抓磚、自動抹灰、自動擺磚等一系列自動砌筑動作，同時墻體砌筑質量與工廠實驗室測試結果基本保持一致，節省了砌筑人工與時間成本。

5 結語

本文提出的砌墻機器人具備自主移動、自動抓磚等智能化砌筑功能，可實現“定位—上磚—抹灰—擺磚”的全過程自動化砌筑，其砌筑質量滿足相關規范要求，砌筑效率較人工相比有所提高，并且能夠適應施工現場的復雜場地環境，具有未來市場化推廣的可能。