建筑机器人发展与关键技术综述

摘

要：介绍了建筑机器人在我国与国外的发展现状，阐述了建筑机器人研发的关键技术，提出了未来建筑机器人的发展方向。关键词：建筑机器人；发展现状；关键技术；建议

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引言目前我国建筑业虽然发展迅速，但是机械化、自动化程度比较低，建筑业属于高危行业，存在安全事故多、劳动生产率低下、劳动力短缺等问题。因此，大力发展建筑机器人能在一定程度上解决建筑业面临的困境。建筑机器人既可以将建筑工人从危重的建筑环境中解放，保障工人的生命安全，又能够提高建造施工的效率，一定程度上解决了劳动力短缺的问题。

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建筑机器人发展现状国外对建筑机器人的研究较早，主要以发达国家为主，建筑机器人技术发展比较成熟，部分机器人甚至已经实现商业化生产。SAM100砌砖机器人采用半自动化工作模式，是世界上第一款真正投入现场砌筑工程的商用机器人，主要用于配合工人完成砌筑作业，减少了工人的砖料抓举作业，据统计每台砌砖机器人可提高3～5倍的墙体砌筑效率，实现高效砌砖目的。Hadrian109砌筑机器人可以根据3D计算机辅助设计系统绘制的住宅形状和结构实现自动砌砖，能够连续24h工作，只需2天时间就能建起整栋住宅。韩国机械与材料研究院（KIMM）开发的WallBot被用来进行外墙施工，实现墙体粉刷、平整和清洁等作业。MobileDrillingRobot钻孔机器人被用来进行混凝土天花板的测量和钻孔工作，通过专用APP设置孔径、孔深等参数，便可在指定位置打孔，能够达到毫米级工作精度。新加坡未来城市实验室联合ETHZurich开发的MRT机器人能够完成地瓷砖铺贴作业。PictoBot墙面喷涂机器人、QuicaBot建筑质量检测机器人目前正在进行真实环境施工测试。美国研发了施工监控管理机器人，基于人工智能的计算机视觉软件，根据数据扫描为项目管理人员提供建设项目全程的进度追踪、预算和质量方面的实时反馈，能够将项目的建造效率提升38%以及整体造价降低11%。我国的建筑机器人研究起步比国外晚，相对于以前主要集中在大学和研究所的情况，现在有越来越多的企业参与到该领域中。比如，由哈尔滨工业大学研发的壁面清洗爬壁机器人，适用于高层建筑的瓷砖表面以及玻璃幕墙的清洗工作；河北工业大学与河北建工集团合作研发了C-ROBOT-I建筑板材安装机器人，可以做到大尺寸、大质量板材的自动干挂安装；碧桂园集团旗下的博智林机器人公司研发了多种对应不同工种的建筑机器人，比如地砖铺贴、墙纸铺贴、内墙板搬运和室内喷涂等，目前都已经进入建筑工地进行测试。

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建筑机器人的关键技术2.1

空间轨迹规划由于建筑内空间大小不是标准的，建筑内部也存在各种各样的障碍物，机器人作业空间有限，作业环境复杂，要求建筑机器人能够自动识别建筑物体，自动规划作业路径，要在有限的建筑空间内实现自动轨迹的规划。2.2

多传感器应用建筑机器人工作的前提是识别周围环境，而各种各样的传感器能帮助机器人在非结构的建筑环境中识别各种类型的场景。例如：需要识别物体大小、空间范围、行走过程中遇到的障碍物、温度、压力等，可能需要将雷达、红外传感器、压力传感器以及温度传感器等结合在一起，才能让机器人有效识别自身所处的环境。2.3

非稳定基础的精确作业建筑工地跟工厂环境不一样，建筑工地的路面可能是坑坑洼洼的软泥土路面，存在砂石、钢筋、混凝土等，机器在这样的路面作业会存在很大的干扰，时刻都在调整，且要求机器人能够在目标位置上精确定位，稳定作业。总而言之，建筑机器人拥有快速响应、精确定位的性能是工作的必要条件。2.4

机器人施工工艺传统建筑工人施工具有很强的灵活性，有经验的建筑工人能够快速处理好建筑墙角的粉抹不平，门窗框与墙体间隙大等问题。因为建筑机器人不具备建筑工人的灵活性，所以建筑机器人的施工不是简单复制人的施工方法，在没有成熟经验借鉴的情况下，需要探索出机器人的施工工艺，才能更好地提高施工效率。2.5

多机调度协同作业基于建筑空间存在多种机器一起作业的情况，很容易形成空间的非同步性，导致建造资源调度性质各异、相互牵制，因此需要建设一个多机调度协同作业平台，根据各作业空间的建造资源协同特点，统一协调调度机器设备、人员和资源，实现作业空间、时间的最优化。

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建筑机器人发展方向及建议3.1

持续攻坚建筑机器人关键技术建筑机器人与工业机器人相比，工业机器人是固定进行操作的，物料是移动配合的，而建筑机器人是移动作业的，建筑物是固定被施工的。所以建筑机器人要求有可移动的灵活性和较大的工作空间，需要在约束的空间内完成特定的建筑作业工序。目前需要鼓励相关的科研单位、企业持续地攻克建筑机器人的关键技术，建筑机器人一定会有质的飞跃。3.2

研究新型建筑材料和结构目前的建筑机器人主要根据传统的建筑材料去设计和施工，而传统的建筑材料不一定适合建筑机器人施工，因此要敢于突破材料的限制，可以根据建筑机器人的特点以及施工工艺，研究新型的建筑材料或者建筑结构。3.3

扩大机器人在建筑业中的应用比例市面上出现了一些建筑机器人的应用，比如砌墙、地砖铺贴、墙体粉刷等，但是大多碍于机器人采购成本高、需要专门操作技能的人才、维护成本高等没能得到大规模应用。对于建筑机器人的研发，需要结合建筑建造和机器人技术，因此对于拥有房地产开发和机器人开发经验的公司具有比较大的优势，大型房地产企业拥有丰富的建筑应用经验和庞大的建造需求，拥有量大面广的工地，可以为机器人研发提供实验场所，直接在工地进行研发测试，机器人开发公司拥有机器人开发的软硬件人才和设计经验，可以通过政策鼓励双方深入合作，推动机器人在建筑业的应用。针对机器人的应用推广使用，可以加速传统建筑设备的机器人化改造，提高设备效能比，让建筑企业乐于使用机器人；加快现有机器人技术在建筑业的应用，让技术较为成熟的产品走出实验室，进入工地测试，加快迭代速度，促进建筑机器人逐步商业化。3.4

加大建筑机器人领域的人才培养目前国内对于建筑机器人设计人才的培养课程很少，出现懂建筑设计和建造的人不懂机器人设计，懂机器人设计的人不懂建筑方面的知识的尴尬现象，没有很好地把建筑跟机器人领域的技术结合起来，因而限制了建筑机器人的发展以及建筑业的升级转型。因此，有必要