馬 宏 侯滿哲 郭全花 王月亭

(河北建筑工程學(xué)院,河北 張家口 075000)

關(guān)于建筑機器人的研究

馬 宏 侯滿哲 郭全花 王月亭

(河北建筑工程學(xué)院,河北 張家口 075000)

介紹了國內(nèi)外建筑機器人的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了國內(nèi)建筑機器人發(fā)展的前景.在分析研究了國外建筑機器人商業(yè)化發(fā)展的基礎(chǔ)上，提出了國內(nèi)建筑機器人發(fā)展的商業(yè)模式和技術(shù)模式.最后總結(jié)了建筑類高校發(fā)展建筑機器人的優(yōu)勢.

建筑機器人;建筑工程;特種機器人

0 前 言

當(dāng)今，建筑業(yè)產(chǎn)值逐年遞增，同時又面臨著事故多發(fā)、勞動力缺乏、施工標(biāo)準(zhǔn)一致性差、勞動力成本不斷增加的壓力.與此同時機器人技術(shù)有了長足的發(fā)展，以機器人技術(shù)為核心的各種裝備越來越多，在各個行業(yè)引領(lǐng)著技術(shù)發(fā)展的新方向.將機器人技術(shù)引進到建筑業(yè)，形成具有專業(yè)建筑功能的建筑機器人，是解決建筑業(yè)諸多問題的有效途徑之一.但目前國內(nèi)的建筑機器人大多沒有形成產(chǎn)業(yè)化的規(guī)模.本文研究了國內(nèi)外建筑機器人的發(fā)展及其商業(yè)化的形式，提出了建筑機器人發(fā)展的技術(shù)模式和商業(yè)模式，并指出建筑類高校發(fā)展建筑機器人的優(yōu)勢.

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

關(guān)于建筑機器人的研究起源于日本，1982年，日本清水公司的一臺名為SSR-1的耐火材料噴涂機器人被成功用于施工現(xiàn)場，被認(rèn)為是世界上首臺用于建筑施工的建筑機器人[1].之后，越來越多的建筑機器人不斷問世.美國軍方的John Deeve 690C掘進機被用來修復(fù)爆炸毀壞的跑道；麻省理工學(xué)院的trackbot和studbot被用于墻體內(nèi)部建設(shè)[2]；日本清水公司的多功能行走車(MTV-1)可以修平和磨光砼樓板表面，并且能夠自動躲避墻壁和立柱；外墻噴涂機器人可以進行外墻中間層以及保護層的自動噴涂，作業(yè)效率是人工的5倍；日本鹿島建設(shè)株式會社的隧道鉆探機可以進行鉆探、鼓風(fēng)、清理以及混凝土的噴漿作業(yè)；放射性砼切割機器人被用來進行核電站水泥柱的拆除作業(yè)[3]；卡耐基·梅隆大學(xué)的機器人挖掘機(REX)可以通過不接觸物料的方式挖掘城市埋在地下的公共設(shè)施管道，進而保證管道不被破壞；鹿島建設(shè)株式會社的瓷磚檢測機器人能夠自動敲擊瓷磚并分析所產(chǎn)生的聲音同時記錄瓷磚的位置信息最終判斷瓷磚的粘接強度.除了日本和美國在進行建筑機器人研究之外，法國、德國、英國、以色列、荷蘭、芬蘭、丹麥、新加坡等國家也在進行相關(guān)領(lǐng)域的研究[2].如法國的國立機器人人工智能研究所(IIRIAM)和建筑科學(xué)技術(shù)中心(CSTB)；英國的布里斯托爾工科大學(xué)、諾丁漢大學(xué)、蘭開斯特大學(xué)等；德國的斯圖加特大學(xué)附屬生產(chǎn)自動化研究所(IPA)；以色列的工科大學(xué)建筑研究所等.

我國在建筑機器人領(lǐng)域的研究起步較晚，目前主要集中在大學(xué)和一部分研究所，多數(shù)也是機器人相關(guān)領(lǐng)域的團隊在研究.如哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究的遙控壁面爬行機器人，可以完成建筑物或者大型容器的壁面噴涂和檢查[4].山東礦業(yè)大學(xué)研究出一種煤礦井下噴漿機器人，可以實現(xiàn)自動、均勻的高效作業(yè).河北工業(yè)大學(xué)研究開發(fā)了一種室內(nèi)板材安裝機器人，可以實現(xiàn)豎立面上大理石板材自動高效的干掛安裝[5].

目前建筑機器人根據(jù)其主體功能分為、檢查機器人、清潔機器人、極限環(huán)境作業(yè)機器人.表1列舉了部分國外建筑機器人的相關(guān)信息.表2列舉了部分國內(nèi)建筑機器人的相關(guān)信息.

表1 部分國外建筑機器人簡介

表2 部分國內(nèi)建筑機器人簡介

2 建筑機器人的未來前景

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，城市建設(shè)和大型建筑的發(fā)展，建筑業(yè)的產(chǎn)值在不斷增長，2009-2013年，我國建筑業(yè)總產(chǎn)值年復(fù)合增長率達(dá)20.01%，2014年全國建筑業(yè)總產(chǎn)值17.67萬億元，同比增長10.92%(數(shù)據(jù)來源與國家統(tǒng)計局).伴隨著我國城市化的進程，建筑業(yè)的產(chǎn)值將進一步增加.但是建筑業(yè)的發(fā)展也有著諸多的不利因素，建筑施工是典型的勞動密集型行業(yè)，是僅次于煤炭采掘的高危行業(yè).2010年全國共發(fā)生房屋市政工程生產(chǎn)安全事故627起、死亡772.人高處墜落事故297起，占總數(shù)的47.37%，坍塌事故93起，占總數(shù)的14.83%(本數(shù)據(jù)來源于中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部).又如2014年12月29日，北京清華附中建工地發(fā)生腳手架坍塌事故造成10人死亡、4人受傷.另外由于建筑工人的工作環(huán)境比較艱苦，使得很多年輕人不愿意從事這類工作，進而出現(xiàn)了建筑行業(yè)工人短缺，有技術(shù)的工人更短缺的局面.事故多發(fā)，工作環(huán)境惡略，勞動力短缺，生產(chǎn)效率低，質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)低是我國建筑行業(yè)普遍存在的問題.

解決這些問題的一個有效途徑就是實現(xiàn)建筑行業(yè)的機器人化.高度智能化的機器人用于建筑行業(yè)可以很輕松的將人類的活動范圍深入到各種惡劣的環(huán)境中，如核輻射區(qū)域，高溫高壓高空環(huán)境，深水或者化學(xué)等極限環(huán)境.并在這些環(huán)境中完成高質(zhì)量、高效率、高標(biāo)準(zhǔn)的作業(yè).目前機器人技術(shù)已經(jīng)相對成熟，其相關(guān)的產(chǎn)業(yè)群也在迅速發(fā)展，將機器人領(lǐng)域成熟的技術(shù)應(yīng)用到建筑施工中，形成各種各樣的具有專業(yè)建筑功能建筑機器人，將有效的解決我國目前建筑業(yè)存在的這些問題.

3 建筑機器人的發(fā)展模式

3.1 建筑機器人發(fā)展的商業(yè)模式

建筑機器人是實現(xiàn)建筑行業(yè)自動化的設(shè)備，它的商業(yè)模式應(yīng)當(dāng)是建筑行業(yè)的市場需求為主導(dǎo)，機器人技術(shù)為支撐.機器人給用戶帶來的經(jīng)濟價值V，可以通過下面的公式獲得：

V=(KL-M-O-T+αP)rp(i，n)

式中

P為機器人初期投資；

L為每年每個被代替的工人人力成本；

K為被取代的供熱的數(shù)量；

M為每年機器人的維護費用；

O為機器人每年的運轉(zhuǎn)費用；

T為每年機器人的運輸費用；

α為減稅率(10%)；

i為利率(10%)；

n為機器人的使用壽命(10年)；

rp(i，n)=[(1+i)n-1]/i(1+i)n指的是利率為i的n個連續(xù)年支付的現(xiàn)值系數(shù)[2].

對于建筑機器人，它的上述數(shù)據(jù)是多少？首先是根據(jù)實際的施工要求而制定的，機器人技術(shù)只是實現(xiàn)這個要求的一種手段.目前，我國建筑機器人的發(fā)展模式大多是機器人領(lǐng)域的專家根據(jù)機器人技術(shù)的成熟度提出具有某種建筑相關(guān)功能的機器人，并沒有形成成熟的產(chǎn)業(yè)模式.大多數(shù)的建筑機器人都是有由機器人方面的專家在國家的數(shù)額不大資金支持下完成的，只是作為特種機器人的一個分支進行的研究開發(fā).這也是我國的建筑機器人在走向產(chǎn)業(yè)化的道路的主要障礙之一.而在建筑機器人發(fā)展比較成熟的日本，以清水和鹿島兩家建筑株式會社的建筑機器人為代表，由于兩家會社的主要業(yè)務(wù)都在建筑行業(yè)，所以他們在發(fā)展建筑機器人有著很準(zhǔn)確的市場把控，他們的建筑機器人SSR系列和MTV系列很好的走向了產(chǎn)業(yè)化和商業(yè).

3.2 建筑機器人發(fā)展的技術(shù)模式

建筑機器人技術(shù)的發(fā)展應(yīng)當(dāng)以建筑施工工藝為主導(dǎo)，以機器人技術(shù)為輔助實現(xiàn)手段.我國目前的建筑機器人發(fā)展大多是以精通機器人技術(shù)的專家為主導(dǎo)，僅僅以實現(xiàn)建筑相關(guān)功能為試驗?zāi)繕?biāo).這種模式往往由于機器人專家的建筑施工經(jīng)驗不足，對建筑施工現(xiàn)場的施工惡劣條件考慮不充分，對建筑工藝的了解不夠深入等因素導(dǎo)致研制出來的機器人僅僅在實驗室有著穩(wěn)定的表現(xiàn)，在施工現(xiàn)場的表現(xiàn)卻難以讓人滿意.最終開發(fā)研究出來的建筑機器人就作為一件技術(shù)展示作品陳列在了實驗室，該款建筑機器人產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化的進程也就此停滯.

到目前，我國建筑機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的并不是很成熟，甚至關(guān)于建筑機器人的研究機構(gòu)都很少.為數(shù)不多的研究成果大多停留在實驗室階段，沒有能夠進行產(chǎn)業(yè)化發(fā)展.

4 建筑類高校發(fā)展建筑機器人的優(yōu)勢

4.1 人力資源優(yōu)勢

作為建筑類高校，擁有大量建筑行業(yè)的專家、學(xué)者，這些人員又有著多年的教學(xué)，科研和實踐的經(jīng)驗.對于建筑施工技術(shù)、工藝等方面有著極為深厚的積淀.另外與建筑類企業(yè)相比沒有建設(shè)進度等硬性施工任務(wù)，其科研人員可以更加專心的去進行科研工作，同時高校的科研人員對于行業(yè)最近技術(shù)的掌握程度更高一下.與專業(yè)的研究所相比高校的人力資源更具有多行業(yè)的融合性，口徑更寬.而建筑機器人的產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化恰恰最需要多行業(yè)的融合.

4.2 “產(chǎn)、學(xué)、研”結(jié)合的優(yōu)勢

多年來，數(shù)以萬計的畢業(yè)生遍布建筑行業(yè)的各個角落，他們都是建筑圈里的業(yè)內(nèi)人士，都有著多年的工作經(jīng)驗，對建筑行業(yè)有著最詳盡的了解，在建筑機器人研究方向細(xì)化、研究重點、特殊工藝工程、成果轉(zhuǎn)化、產(chǎn)學(xué)研結(jié)合方面有著不可替代的優(yōu)勢.是保障建筑機器人商業(yè)模式和技術(shù)模式的重要資源.

4.3 硬件優(yōu)勢

建筑類高校往往歷史悠久，多年來學(xué)校在設(shè)備，資質(zhì)，實驗室，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等方面擁有著得天獨厚的優(yōu)勢，些資源在建筑機器人發(fā)展的過程中將起到不可替代的作用.這些資源的充分利用將會使建筑機器人的研究開發(fā)工作事半功倍.

4.4 人文環(huán)境優(yōu)勢

高校相對寬松的人文環(huán)境，在技術(shù)交流，成果展示方面不像企業(yè)里高度保密，而在知識產(chǎn)權(quán)保護、科研成果、論文發(fā)表等方面較企業(yè)更為專業(yè).這些都為建筑機器人的發(fā)展提供了豐厚的土壤.

4.5 空間優(yōu)勢

目前建筑機器人在國內(nèi)剛剛起步，為數(shù)不多的成果也大多停留在試驗時間段，其中絕大多數(shù)都是由機器人領(lǐng)域的專家主導(dǎo)的“水土不服”的建筑機器人，真真做到商業(yè)化的成果極少.特別是建筑行業(yè)自動化施工的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)大多都處于空白階段.隨著社會的發(fā)展，建筑工人老齡化，年輕人不愿意從事該項工作等因素，建筑機器人的“用武之地”將大為廣闊.

5 結(jié) 論

本文在分析研究了國內(nèi)外建筑機器人發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了建筑機器人發(fā)展的技術(shù)模式和技術(shù)模式.建筑機器人進行商業(yè)化發(fā)展的必由之路之一就是以“建筑”主導(dǎo)，以機器人技術(shù)為實現(xiàn)手段.由建筑施工工藝等因素主導(dǎo)其發(fā)展方向及其市場定位，通過成熟的機器人技術(shù)將其實現(xiàn)，并最終走向產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化的道路.最后，本文還分析了建筑類高校發(fā)展建筑機器人的若干優(yōu)勢.

[1]王桂鳳.機器人在建筑業(yè)中的應(yīng)用[J].河南科技月刊,1991,(6):22～23

[2]劉海波,武學(xué)民.國外建筑業(yè)的機器人化──國外建筑機器人發(fā)展概述[J].機器人,1994,16:119～128

[3]吳成東,劉國懷,陳莉.建筑機器人技術(shù)的研究進展[J].建筑機械化.1998,3:10～13

[4]吳善強.低噪聲負(fù)壓吸附爬壁機器人系統(tǒng)的研究.;哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士論文

[5]楊冬.幕墻安裝建筑機器人系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].河北工業(yè)大學(xué),2013

[6]孫偉,于永璋.幾種建筑機器人概介[J].建筑機械化.1990,(06):22～24

[7]ZHONGDenghua,LIUJianmin,FUJinqiang,XIONGKaizhi.ConstructionScheduleSimulationandItsApplicationtoHydrojunctionsofWaterDiversionProjectBasedon4DCAD[J].AsianSimulationConference/The6thInternationalconferenceonsystemSimulationandScientificComputing.2005,400～405

[8]Young,Jun.VisionandPolicyonKorea‘sRobotIndustry.The4～(th)China-Korea-JapanJointWorkshoponRobotics.

[9]Y.Morita,H.UkaiandH.Kando.“Robusttrajectorytrackingcontrolofelasticrobotmanipulators.J.1997,(119):727～735

Research on Construction Robot

MAHong,HOUMan-zhe,GUOQuan-hua,WANGYue-ting

(Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering,Zhangjiakou,Hebei 075000)

In this paper,the development status of the construction robot at home and abroad is introduced,and the developing prospect of the domestic construction robot is analyzed.On the basis of the commercial development of the foreign construction robot,the commercial pattern and technology mode of the construction robot development are analyzed.At last,the advantages of developing construction robot in architecture colleges are summarized.

construction robot;construction engineering;special robot

2015-03-12

馬宏(1987-)，男，助教，主要研究方向：建筑機器人.

TH 12

A