西安建筑科技大學(xué)信控學(xué)院 于軍琪雷小康

西安交通大學(xué)電信學(xué)院 曹建福2

建筑機器人研究現(xiàn)狀與展望

西安建筑科技大學(xué)信控學(xué)院 于軍琪1雷小康3

西安交通大學(xué)電信學(xué)院 曹建福2

1　引 言

在人類所有工程實踐活動中，建筑業(yè)歷史最為久遠——當(dāng)人類先祖尚未成“人”時，它們便已開始了各種各樣以“遮風(fēng)雨、避寒暑”為目的的營建實踐。建筑施工形態(tài)不僅與人類的生產(chǎn)、生活休戚相關(guān)，同時也承載了厚重文明印記和文化特色。然而，一個無法回避的現(xiàn)實是，近百年來，雖然自然科學(xué)與工程技術(shù)領(lǐng)域的革新不斷，建筑本身的形態(tài)和功能也與以前大為不同，但建筑施工的業(yè)態(tài)形式卻始終沒有出現(xiàn)顯著的變化。如果我們審視今天的建筑施工形態(tài)，誠如百余年前先輩們的營建工作一樣，依然被粗放、傷亡、污染、浪費這些與時代主題相悖的業(yè)態(tài)標簽所充斥。相較于制造業(yè)、農(nóng)業(yè)、航空航天、交通運輸、金融、商貿(mào)等其他行業(yè)如今所具有的現(xiàn)代化、智能化、信息化、自動化等業(yè)態(tài)標簽，建筑行業(yè)的施工、管理與營建方式，遠未跟上時代進步與革新的步伐。今天的建筑業(yè)比以往任何時候都需要一場變革，這一需求迫在眉睫。

在既有的現(xiàn)代化技術(shù)體系中，最有可能承擔(dān)起建筑業(yè)革新重任的便是機器人技術(shù)。機器人是近代機電技術(shù)與信息技術(shù)高度發(fā)展的產(chǎn)物，具有強烈的時代符號。過去30年間，隨著機器人技術(shù)逐步投入應(yīng)用，很多行業(yè)的業(yè)態(tài)發(fā)生了翻天覆地的變化，其中以制造業(yè)尤其是汽車制造業(yè)最為典型。機器人技術(shù)源自人們祈求擺脫“危、繁、臟、重”工作的本能需求，而建筑業(yè)幾乎集這些弊端于一身——工作強度大、繁復(fù)；工作環(huán)境差、危險，兩者具有極高的契合。由此，便特化出了“建筑機器人”（Construction Robotics）的概念，以期通過機器替代或協(xié)助人類的方式，先期達成改善建筑業(yè)工作環(huán)境、提高工作效率的目的，最終實現(xiàn)建筑物營建的完全自主化。

值得欣喜的是，近年來機器人技術(shù)出現(xiàn)了向建筑業(yè)滲透的趨勢，建筑施工用機器人系統(tǒng)的研發(fā)已引起了很多研究機構(gòu)和高科技公司的關(guān)注，出現(xiàn)了一些可完成簡單施工工序的初級實驗或商用系統(tǒng)。盡管如此，建筑機器人的發(fā)展總體上還處于欠發(fā)展階段，對于機器人技術(shù)如何與建筑業(yè)相結(jié)合、建筑業(yè)如何適應(yīng)機器人的介入等基本性問題，目前都還沒有形成清晰、統(tǒng)一的發(fā)展圖景。本文試圖通過對現(xiàn)有典型建筑/施工用機器人系統(tǒng)研發(fā)動態(tài)的梳理和介紹，闡釋建筑機器人發(fā)展的現(xiàn)狀與趨勢。藉此，闡明建筑機器人的概念內(nèi)涵，拓展相關(guān)研究的思路，為我國建筑機器人的發(fā)展提供參考。

中國自動化學(xué)會亦根據(jù)建筑業(yè)發(fā)展新趨勢及對機器人的急切需要，成立了建筑機器人專業(yè)委員會，希望為解決以上問題，促進行業(yè)技術(shù)普及與應(yīng)用發(fā)揮重要“橋梁”作用。

2　發(fā)展建筑機器人的背景及意義

機器人技術(shù)進入建筑業(yè)領(lǐng)域是技術(shù)及時代發(fā)展的必然，由此將催生建筑業(yè)的一次革命。歸結(jié)起來，建筑機器人的提出背景及意義體現(xiàn)在以下幾個方面。

第一，建筑機器人是營建效率急需提升的必由之路。在現(xiàn)在的建筑施工中，雖然已有大量機械設(shè)備參與，但更多的工序還是有賴于手工作業(yè)，導(dǎo)致建造周期綿長，少則數(shù)月，多至數(shù)年。而采用機器人技術(shù)，可使建造效率大獲提升。以歐美的標準民居為例，傳統(tǒng)人工作業(yè)的平均建造周期約為6~9個月，但若采用最新的機器人3D打印技術(shù)，建造周期可大幅縮短至1~2天。這意味著遭遇地震、恐怖襲擊、泥石流等災(zāi)難后，可以快速完成居所重建，保障居民的基本生存條件，這在以往是無法想象的。

第二，建筑機器人是保障施工人員安全、提升工作品質(zhì)的必然選擇。建筑業(yè)是公認的高危行業(yè)，傷亡率僅列于礦山與交通事故之后。例如在美國，建筑業(yè)每年造成約40萬人的死傷，已成為嚴重的社會問題。另外，建筑施工人員的工作條件極差，繁重的操作，充斥著泥漿、粉塵、噪聲、震動等工作環(huán)境，極大地危害著從業(yè)人員的身心健康，導(dǎo)致職業(yè)病高發(fā)。若要將建筑工人從中解脫出來，就現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展水平來看，機器人技術(shù)或是破解這一難題最佳，也可能是唯一的途徑。

第三，建筑機器人是人力資源日益短缺的必然選擇。隨著社會老齡化趨勢的不斷加速，青壯年勞動力的供給將日益緊缺。加之建筑業(yè)所具有的“危、繁、臟、重”屬性，若未來建筑業(yè)不能成功去除這些不利標簽，“重塑”自我形象，勢必?zé)o法吸引年輕勞動力進入這一行業(yè)。以澳大利亞為例，2015年該國泥瓦匠的平均年齡已達55歲，若短期內(nèi)無法吸引更多的年輕人加入，5~10年之內(nèi)該國便面臨無工可用的尷尬局面。

第四，建筑機器人是構(gòu)建節(jié)約型社會的時代訴求。建筑業(yè)屬于資源需求極為密集的行業(yè)，而傳統(tǒng)的手工作業(yè)方式又流于粗放，建材使用不能精確控制，導(dǎo)致營建過程的材料浪費極為巨大。據(jù)美國有關(guān)部門測算，一棟普通民居建造過程的材料浪費率高達40%。此外，老舊建筑的拆除目前還未形成資源化回收的觀念，除鋼筋等少數(shù)金屬材料外，其他材料均被作為建筑垃圾填埋，這種資源浪費的規(guī)模難以估量。事實上，若采用建筑機器人代替人工施工，通過合理規(guī)劃和精細化作業(yè)，可大幅減少原材料浪費，甚至實現(xiàn)零浪費；利用機器人技術(shù)也可以實施老舊建筑材料的回收再利用。這些無形之中將會降低建筑成本，也符合構(gòu)建節(jié)約型社會的時代價值要求。

第五，建筑機器人是實現(xiàn)人與自然和諧發(fā)展的有效途徑。傳統(tǒng)建筑施工均為“侵入式”開發(fā)，先開挖破壞原有植被，這一方式對于自然環(huán)境的破壞性很大。另一方面，建筑施工期間產(chǎn)生的固體垃圾、廢水、有毒有害物化學(xué)物質(zhì)也會對環(huán)境產(chǎn)生很大危害。此外，水泥、鋼材、玻璃等原材料的生產(chǎn)，對于環(huán)境的污染也很大。在倡導(dǎo)環(huán)保的時代大背景下，如何實現(xiàn)更具環(huán)境友好性的營建開發(fā)、減少垃圾及廢物排放、提高原材料的利用率，均是時代對于建筑業(yè)革新的迫切要求。而以建筑機器人為代表的未來數(shù)字化營建技術(shù)，有望徹底重塑建筑業(yè)的面貌，實現(xiàn)真正的綠色環(huán)保、無污染的營建。

最后，從建筑技術(shù)的演進與革新的角度出發(fā)，機器人技術(shù)有望搭建起連接設(shè)計概念與實體之間直接溝通的橋梁，使得建筑師的構(gòu)想能夠更為快速地變?yōu)楝F(xiàn)實。正如ETH Zurich的建筑與數(shù)字建造專家Gramazio & Kohler所認為的那樣：以建筑機器人為代表的數(shù)字化建造（Digital fabrication）技術(shù)是連接數(shù)字世界和物質(zhì)世界的有力工具，它讓在虛擬環(huán)境進行的創(chuàng)意和設(shè)計，從數(shù)字信息進一步變成物質(zhì)的現(xiàn)實。建筑機器人技術(shù)在重復(fù)生產(chǎn)上更有效率，也可在非標準建造上實現(xiàn)人手所無法實現(xiàn)的可能性。

今后十多年內(nèi)，若建筑機器人技術(shù)得以大規(guī)模投入應(yīng)用，那這對于建筑業(yè)的意義絕不亞于“脫胎換骨”。機器人技術(shù)改變的不單是施工方式，而是實施營建的理念。整個建筑業(yè)體系——從設(shè)計、營造到使用、維護，將因此得到重塑，低效、危險、污染、浪費、勞動力密集等行業(yè)標簽將成為歷史，高效、環(huán)保、創(chuàng)意、智能、自動化將成為機器人時代建筑業(yè)的新標簽。

3　研究現(xiàn)狀

世界上最早的建筑機器人誕生于20世紀90年代初期的德國，此后，雖然歐美等發(fā)達國家對于建筑機器人的研究從未中斷，但遺憾的是這些設(shè)備一直未能投入應(yīng)用。直到近幾年，才陸續(xù)有一些系統(tǒng)走出實驗室，被應(yīng)用于實際之中。就概念而言，建筑機器人包括“廣義”和“狹義”兩層含義。廣義的建筑機器人囊括了建筑物全生命周期（包括勘測、營建、運營、維護、清拆、保護等）相關(guān)的所有機器人設(shè)備，涉及面極為廣泛，常見的保潔、遞送、陪護等服務(wù)機器人，以及管道勘察/清洗、消防等特種機器人均可納入其中。狹義的建筑機器人特指與營建施工作業(yè)密切相關(guān)的機器人設(shè)備，其涵蓋面相對較窄但具有顯著的工程化特點，典型系統(tǒng)包括墻體砌筑機器人、3D打印營建系統(tǒng)、基坑清理機器人系統(tǒng)等。本節(jié)針對狹義的建筑機器人，對目前一些具有代表性的系統(tǒng)加以梳理和介紹。

3.1墻體砌筑機器人

世界上第一臺建筑機器人誕生于墻體砌筑方面。1994年，德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT）研發(fā)了全球首臺自動砌墻機器人ROCCO；同期的1996年，斯圖加特大學(xué)開發(fā)了另一型混凝土施工機器人BRONCO。之后，哈佛大學(xué)、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)等機構(gòu)也都開展過一些建筑機器人研究。不過，受當(dāng)時經(jīng)濟及技術(shù)條件所限，這些早期砌筑機器人系統(tǒng)均未投入實際使用，但是為后續(xù)型號的研究提供了前期的概念和理論鋪墊。近年來，隨著機器人技術(shù)走向成熟，以及勞動力成本的不斷起高，砌筑機器人系統(tǒng)的研發(fā)重獲發(fā)展契機，甚至部分系統(tǒng)已投入商業(yè)應(yīng)用。現(xiàn)有的墻體砌筑機器人大多基于工業(yè)機械手改裝而成，一般具有“移動平臺+遞送系統(tǒng)+機械臂”的體系結(jié)構(gòu)。典型代表如美國Construction Robotics公司的SAM（semi-automated mason）系統(tǒng)、ETH Zurich研發(fā)的In-situ Fabricator系統(tǒng)，以及澳大利亞Fastbrick Robotics公司的Hadrian109砌筑機器人系統(tǒng)（如圖1所示）。

SAM100砌筑機器人系統(tǒng)的核心是一具配備夾具的通用工業(yè)機械手、一套磚料傳遞系統(tǒng)以及一套位置反饋系統(tǒng)。機器人采用軌道式移動機構(gòu)，由于工作軌道需事先人工鋪設(shè)，故工作范圍及靈活性受到一定限制。事實上, SAM100系統(tǒng)的設(shè)計初衷并非完全替代工人工作，而在于配合工人提高砌筑作業(yè)的效率，故采用了半自主化的工作模式。單臺設(shè)備可使墻體砌筑效率提高3~5倍，減少工人超過80%的磚料抓舉作業(yè)。目前，SAM100砌筑機器人系統(tǒng)已投入商用。

In-situ Fabricator是一套用于非確定環(huán)境下砌筑作業(yè)的全自主機器人系統(tǒng)，其主體由一個汽油機驅(qū)動的履帶式移動平臺頂置一具6軸ABB工業(yè)機械臂組成，機械臂前端配置吸盤式抓取裝置。該系統(tǒng)通過配置于機械臂前端的2D激光雷達獲取環(huán)境信息，用于監(jiān)測砌筑進程、構(gòu)建工作環(huán)境3D模型并實現(xiàn)機器人的自定位。與SAM100系統(tǒng)相比，In-situ Fabricator系統(tǒng)引入了魯棒與自適應(yīng)建筑技術(shù)，使得該機器人系統(tǒng)具備非標準墻體砌筑能力，并就墻體變化動態(tài)調(diào)整砌筑過程。與此同時，該系統(tǒng)還集成了移動機器人的自主導(dǎo)航技術(shù)，使其能夠工作于存在障礙物的復(fù)雜施工環(huán)境，其自主性和智能化程度得到了提升。In-situ Fabricator系統(tǒng)的砌筑效率約為人工的20倍，不過目前該系統(tǒng)尚處于實驗階段。

上述兩種砌筑機器人適用于小范圍作業(yè)，與此不同，Hadrian109砌筑機器人系統(tǒng)，可以以單體建筑物的尺度開展工作。Hadrian109系統(tǒng)基于履帶式挖掘機平臺改裝而成，配備一具長達28m的兩段式伸縮臂，沿臂敷設(shè)有磚塊遞送軌道，其末端配備磚塊自動夾取/砌筑裝置。該機器人系統(tǒng)可基于CAD 3D模型自主完成建筑物的營建，砌磚速度高達1000塊/h，砌筑精度可達0.5mm水平，可在1～2天內(nèi)建造完成一棟標準民居（約200m2）。該系統(tǒng)將于2016年投入市場，先期將在澳大利亞西部城市哈珀試建商用建筑。

3.2墻/地面施工機器人

眾所周知，瓷磚、大理石等墻/地面裝飾物的鋪貼作業(yè)需要耗費大量的人力和時間，而且由于手工操作精度所限，材料的鋪設(shè)精度與平整度很難保證，尤其是對于大型空間。目前，利用機器人技術(shù)實施自主或輔助人工進行瓷磚等的鋪設(shè)或吊裝作業(yè)，已成為建筑機器人領(lǐng)域重要的研發(fā)主題。

2014年，新加坡未來城市實驗室聯(lián)合ETH Zurich開發(fā)了一款名MRT（Mobile Robotic Triling）的地瓷磚鋪設(shè)機器人（如圖2所示）。該系統(tǒng)由一個可自主實施室內(nèi)導(dǎo)航的移動機器人平臺和一具通用機器手組成，機械手末端配置有吸盤抓取裝置和混凝土噴口。兩套距離傳感器安裝于機械手末端，分別用于識別鄰近瓷磚邊際和確定作業(yè)空間結(jié)構(gòu)，同時配合以自適應(yīng)控制算法，保證瓷磚鋪設(shè)的精度。MRT體積小巧，不僅可用于大型公共空間作業(yè)，而且也適用于小型居室的鋪設(shè)工作。

圖1　墻體砌筑機器人

圖2　墻/地面施工機器人

在國內(nèi)，河北工業(yè)大學(xué)、河北建工集團在863計劃的支持下，于2011年研發(fā)成功我國第一套面向建筑板材安裝的輔助操作機器人系統(tǒng)——C-ROBOT-I。該機器人系統(tǒng)面向大尺寸、大質(zhì)量板材的干掛安裝作業(yè)，可滿足大型場館、樓宇、火車站與機場等裝飾用大理石壁板、玻璃幕墻、天花板等的安裝作業(yè)需求。C-ROBOT-I由搬運機械手、移動本體、升降臺和板材安裝機械手組成，采用超聲波、激光測距儀、雙軸傾角傳感器、結(jié)構(gòu)光視覺傳感器等進行板材姿態(tài)檢測與調(diào)整控制，可保證板材安裝的精度和可靠性。C-ROBOT-I的最大承載能力約為2噸，滿載平移速度為8km/h，最大安裝高度達5m，最大可操作板材尺寸為1m×1.5m，可操作板材質(zhì)量達70kg以上，安裝精度約0.1mm。采用該系統(tǒng)后，兩名工人便可完成大型板材的安裝，工作效率較傳統(tǒng)作業(yè)方式可提高約30倍。

除了裝飾物鋪貼，墻面很多其他作業(yè)也都適合機器人實施。例如，高層建筑外墻的粉刷、清潔等作業(yè)不僅耗時費力，而且極具危險性。2014年，韓國機械與材料研究院（KIMM）在開發(fā)出一款外墻施工機器人——WallBot。該機器人采用遙控方式工作，通過真空風(fēng)扇吸附于墻面運動，目前已能完成墻體粉刷、平整和清潔等作業(yè)。另外，室內(nèi)外管線安裝中的打孔作業(yè)同樣耗時費力，施工人員還要忍受粉塵和噪聲的侵害，并且手工打孔的質(zhì)量極難保證。2015年，瑞典nLink公司推出了一款鉆孔機器人系統(tǒng)——Mobile Drilling Robot。該系統(tǒng)采用“移動平臺+升降臺+機械手”的結(jié)構(gòu)，具有手動和自動兩種工作模式，通過專用App設(shè)置孔徑、孔深等參數(shù)，便可進行指定位置打孔；若載入待安裝線路系統(tǒng)（包括水、電、氣、空調(diào)等）的CAD/BIM數(shù)據(jù)后，MDR機器人便可自主完成打孔作業(yè)。目前MDR機器人已投入商業(yè)市場。

3.3清拆/清運作業(yè)機器人

在建筑物的營建準備、基坑挖掘及老舊建筑改造、拆除過程中，涉及大量的土石方清運、既有結(jié)構(gòu)清拆工作?，F(xiàn)有的清拆施工，主要依靠人工駕駛挖掘機等破拆設(shè)備進行，作業(yè)危險性極高，工作環(huán)境粉塵及噪聲污染嚴重，對施工人員的人身健康及生命安全構(gòu)成了極大的威脅。這種粗放式的清拆作業(yè)，不但造成資源的極大浪費，使得大量混凝土材料被當(dāng)作垃圾處理，而且后續(xù)的材料（如鋼筋）分離回收又會造成了人力的巨大消耗。為了解決這些問題，有關(guān)機構(gòu)研發(fā)了清拆機器人，其作業(yè)方式包括兩種：一種是“沖擊破碎”，一種是“分離回收”。

采用沖擊破碎作業(yè)方式的清拆機器人大多基于有人駕駛清拆設(shè)備發(fā)展而來，主要改變在于利用遙操作技術(shù)替代原有人工駕駛系統(tǒng)。這種機器人化改造使得設(shè)備更為緊湊、體積更小，便于室內(nèi)及狹小空間下的作業(yè)需求，廣泛應(yīng)用于災(zāi)難救援、房屋維修等領(lǐng)域。另外，遙操作技術(shù)使得操作人員遠離施工現(xiàn)場，安全性和工作舒適性大獲提高，可以大幅提高清拆效率。此類機器人系統(tǒng)目前各大工程機械制造商均有研發(fā)，瑞典Husqvarna公司的DXR-301型遙控清拆機器人（如圖3a所示）。

采取分離回收方式的清拆機器人系統(tǒng)直接將混凝土與鋼筋剝離，同時予以資源化回收。瑞典Umea大學(xué)提出的ERO機器人系統(tǒng)即基于這一思路提出（如圖3b所示）。ERO機器人由移動本體和機械臂組成，機械臂前段配備高壓射流噴射裝置破碎墻體，剝落的混凝土漿液被真空吸塵器收集并進行離心分離，其中的混凝土被打包收集，水進行循環(huán)再利用。ERO系統(tǒng)目前尚處于概念研究階段，但其所倡導(dǎo)的資源化、無污染清拆理念，代表了該方向未來的發(fā)展趨勢。值得一提的是，國內(nèi)目前也有一些基于高速射流的破拆設(shè)備問世，但均未考慮對墻體材料進行資源化回收。

圖3　建筑物清拆機器人

圖4　土方清理機器人系統(tǒng)（日本小松公司）

利用機器人技術(shù)實現(xiàn)基坑填挖等大規(guī)模土方作業(yè)的自動化，是近年來工程機械領(lǐng)域一個重要的研究方向。目前，基于遙操作技術(shù)或無人駕駛技術(shù)，已實現(xiàn)了對于推土機、挖掘機等設(shè)備的機器人化改造。然而，論及自動化、智能化程度最高的場地土方清理系統(tǒng)，當(dāng)屬日本工程機械巨頭小松株式會社所研發(fā)的“智能建設(shè)”（Smart Construction）系統(tǒng)（如圖4所示）。SC系統(tǒng)集成了小松公司所研發(fā)的無人駕駛挖掘機、推土機等工程設(shè)備，動用四旋翼無人機作為“眼睛”監(jiān)控施工進度及設(shè)備狀態(tài)，進而達成空-地及地面各設(shè)備間的有效協(xié)同。SC系統(tǒng)利用無人機配備的3D激光掃描設(shè)備，實時繪制施工場地3D模型，進而指導(dǎo)施工規(guī)劃；通過實時檢測土方量變化，動態(tài)調(diào)整各設(shè)備任務(wù)。該系統(tǒng)自主化程度頗高，尤其是無人機的引入，成功解決了大面積清場作業(yè)信息獲取不及時的問題，使得多機之間的在線動態(tài)規(guī)劃與協(xié)同成為可能。這種技術(shù)集成思路值得其他系統(tǒng)借鑒和推廣。

3.43D打印建筑機器人

提及3D打印即增材制造技術(shù)，一般被認為是現(xiàn)代技術(shù)，但嚴格來講，建筑物營建過程本身便具有鮮明的“增材”屬性，其可能是人類最早的3D打印實踐。將現(xiàn)代3D打印技術(shù)應(yīng)用于建筑行業(yè)，當(dāng)首推美國南加州大學(xué)Khoshnevis教授于20世紀90年代提出的“輪廓工藝”（Contour Crafting）技術(shù)。CC技術(shù)的基本原理與其他普通3D打印機無異，通過擠出設(shè)備將材料在指定位置逐層堆砌，差別僅在于CC的打印材料是高密度、高性能混凝土。CC的整體結(jié)構(gòu)類似于大型的龍門吊車，整個打印機橫跨于建筑物之上，通過軌道移動控制噴嘴的X-Y軸向位置，伸縮臂控制噴嘴的Z軸位置，最終實現(xiàn)精確的打印定位。在建造過程中，外墻及地面等混凝土結(jié)構(gòu)可直接打印完成，配合以其他抓取設(shè)備及特殊裝置，該3D打印機也可完成地面及墻面瓷磚鋪設(shè)，并安裝水、氣、熱、電等管線。隨后，僅需人工安裝窗戶、門以及裝飾等即可完工。該技術(shù)可在20小時內(nèi)建造一座240m2的房屋，采用的空心墻體可節(jié)省25%～30%的材料和45%～55%的人工。另外，CC技術(shù)使得建筑物的構(gòu)形更為靈活，墻體可以置空，形狀不再受直線局限，可自由打印各種曲線及異形結(jié)構(gòu)來提升建筑物的美觀度和空間利用率。

龍門吊車式CC系統(tǒng)所能打印的建筑尺度，受到龍門吊車跨度的限制。隨著待打印建筑尺度的增大，吊車機構(gòu)的制造、安裝和運輸難度將隨之增加，整個系統(tǒng)的可移動性變差，造價亦隨之提高。為了能夠?qū)嵤└蟪叨葮?gòu)筑物的打印，提高CC系統(tǒng)的便攜性同時降低制造成本，Ohio大學(xué)的Paul Bosscher提出了基于懸索牽引的CC系統(tǒng)，即通過電機牽引多條懸索控制打印吊艙運動（如圖5所示）。該吊索系統(tǒng)采用全約束懸索結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)打印吊艙的精確移動并控制噴口方向。但由于大跨度懸索的柔性特性，系統(tǒng)的剛性很難保持，故懸索牽引CC系統(tǒng)的控制難度要高于龍門吊車結(jié)構(gòu)。值得特別提及的是，CC技術(shù)目前已得到NASA的資助，用以研究未來可用于月球基地等地外建筑物建造的3D打印設(shè)備。

圖5　“輪廓工藝”3D打印建筑機器人系統(tǒng)

無論采用龍門結(jié)構(gòu)還是多懸索牽引結(jié)構(gòu)，CC系統(tǒng)最大的問題在于建筑本體尺寸受到打印機大小的限制，故只適用于小型建筑或大型建筑局部結(jié)構(gòu)的作業(yè)。為了能夠打印更大的建筑，研究者提出了3D打印設(shè)備附著于既有建筑物之上的方案，其中以西班牙加泰羅尼亞先進建筑研究所（IAAC）提出的MiniBuilders系統(tǒng)最具代表性（如圖6所示）。MiniBuilders系統(tǒng)包括Base、Grip和Vacuum三套3D打印機器人，分別用于地基、墻體和墻面的打印作業(yè)。三者通過中央計算機協(xié)調(diào)彼此運作，并結(jié)合自身傳感器和定位數(shù)據(jù)按順序獨立執(zhí)行任務(wù)。首先，利用Base機器人實施地基打印，完成后由Grip機器人附著于墻體頂端打印墻體，最后由Vacuum機器人（配備真空吸盤）附著于墻面實施平整作業(yè)。這一作業(yè)特性賦予了MiniBuilders系統(tǒng)極大的施工靈活性，理論上通過多機協(xié)作，該系統(tǒng)能夠打印任意尺度的建筑物。

圖6　3D打印建筑機器人系統(tǒng)MiniBuilders

與其他建筑機器人主要關(guān)注特定施工工序相比，3D打印建筑機器人的最大優(yōu)勢在于可直接實現(xiàn)整棟建筑營建施工。CC系統(tǒng)和MiniBuilders的基本原理相似，但卻代表了兩種全然不同的實施思路。CC的外支撐系統(tǒng)適用于小型建筑物營建，而可附著于既有建筑的3D打印系統(tǒng)作業(yè)空間靈活，可實施任意尺寸的營建施工，若配合以多機協(xié)同施工，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏鼮閺V泛。兩種系統(tǒng)適用于不同場合，后續(xù)研究中可考慮將兩種方式相互結(jié)合，進一步擴展3D打印建筑機器人的適用范圍。

3.5可穿戴輔助施工機器人系統(tǒng)

人體外骨骼機器人（Wearable Robotic Exoskeleton）是一類通過精密機械裝置協(xié)助人體完成動作的裝置（同步、加強、模仿），它結(jié)合了外骨骼仿生技術(shù)和信息控制技術(shù)，涉及生物運動學(xué)、機器人學(xué)、信息科學(xué)、人工智能等跨科學(xué)知識。目前，外骨骼機器人系統(tǒng)主要應(yīng)用于醫(yī)療（助殘、康復(fù)）和軍事（增強負重、助力）領(lǐng)域，下一步自然是延伸至工業(yè)應(yīng)用，包括工程施工、緊急救助（疾病、事故、災(zāi)害、突發(fā)事件）、生產(chǎn)制造、搬運輸送、危險工作（如核電站操作維護、航天空間站、深水作業(yè)）等領(lǐng)域，用以減少工傷事故，提升工作效率。

在建筑施工領(lǐng)域，外骨骼機器人尚處于概念提出和原型機開發(fā)階段。典型系統(tǒng)有MIT的d'Arbeloff實驗室開發(fā)的SRA和SRL（Supernumerary Robotic Arms/Limbs）（如圖7所示）。SRL系統(tǒng)主要用于高空作業(yè)人員安全防護，同時為鉆孔等作業(yè)提供助力支持并穩(wěn)定其工作位姿。SRL通過背帶固定于工作人員腰部，主體包括兩個三自由度機械臂，可實現(xiàn)上下、左右及前后運動，目前通過平板電腦進行遙控操作。SRA系統(tǒng)采用背囊式結(jié)構(gòu)，主體包括兩個6自由度機械臂和一套佩戴于工作人腕部的傳感器系統(tǒng)，主要功能在于輔助施工人員托舉、穩(wěn)定重物，以便雙手可以進行更為精細和輔助的安裝作業(yè)。SRA最為顯著的特點在于能夠識別人員行為意圖，自主決定何時、何地給予施工幫助，極大方便了工作人員的操所難度。

圖7　施工用外骨骼助力機器人

在今后相當(dāng)長一段時間內(nèi)，建筑施工還不能完全由機器人替代，加之建筑業(yè)本身所具有的危險、繁重的自然屬性，為了提升人員的施工效率并減少安全事故，今后在工程施工中引入外骨骼機器人，將是必然之舉，其應(yīng)用潛力非常巨大。不過，鑒于外骨骼機器人系統(tǒng)涉及復(fù)雜的“人體-機電-信息-控制”多學(xué)科交叉，尤其是受制于人員運動意圖判斷、能源供給、控制策略等技術(shù)因素制約，這些系統(tǒng)要真正投入應(yīng)用，尚需時日。

3.6飛行建造機器人系統(tǒng)

近年來隨著無人飛行器技術(shù)走向成熟，催生了利用四旋翼飛行器實施建筑物營建的新潮構(gòu)想。飛行平臺可以在3D空間自由移動，能夠克服陸基系統(tǒng)對于腳手架等輔助設(shè)備的依賴，具有可擴展性好、作業(yè)空間不受限制等優(yōu)勢。同時，飛行營建可實現(xiàn)建筑物設(shè)計與營建全過程的數(shù)字化整合和信息化監(jiān)督。因此，飛行營建特別適用于特殊非標準結(jié)構(gòu)的營建作業(yè)。

飛行營建的概念由ETH Zurich的建筑與數(shù)字建造專家Gramazio & Kohler聯(lián)合該校機器人專家Raffaello D'Andrea一同提出。2012年，他們實施了一個名為“飛行裝配建筑”（Flight Assembled Architecture）的實驗項目，利用多臺四旋翼無人機搭建了一個高約6m、包含1500塊泡沫塊的大尺度曲線形構(gòu)筑物（如圖8a所示）。營建實驗在一個配備運動捕捉系統(tǒng)的實驗室進行，整個系統(tǒng)采用集中式控制體系，由一臺中央計算機負責(zé)無人機運動數(shù)據(jù)采集、算法運算和運動指令發(fā)送，使無人機能夠自主完成抓取、運送、定位、放置及充電等作業(yè)。該工作主要出于概念展示目的，其成功實施驗證了飛行器平臺實施結(jié)構(gòu)體營建的可行性，并產(chǎn)生了強烈的社會反響。

為了進一步展示飛行器營建不受空間限制的獨特優(yōu)勢，Gramazio & Kohler還開展了柔性懸索結(jié)構(gòu)的無人機搭建實驗（如圖8b所示），這類結(jié)構(gòu)可用于野外的臨時性通過或牽引結(jié)構(gòu)。柔性繩索結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)成元素包括“結(jié)點”（node）和“鏈接”（link），結(jié)點兼具固定和牽拉作用，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜且類型很豐富，如半轉(zhuǎn)結(jié)、圓轉(zhuǎn)節(jié)、圓節(jié)等。根據(jù)其類型不同，需無人機牽引繩索實施繞飛、穿梭、雙機配合等機動飛行，而如何將不同結(jié)點映射為無人機的有效飛行軌跡，便成為解決此類搭建最為關(guān)鍵的問題。另外，由于無人機需攜帶重物并牽拉繩索，故其控制需同時考慮牽引力和空間位置，這對無人機的運動規(guī)劃、飛行控制及多機協(xié)同均提出了極高的要求。

圖8　飛行營建

以上兩項工作均采用集中式協(xié)調(diào)策略控制多臺無人機運動，與此不同，賓夕法尼亞大學(xué)的Lindsey & Kumar基于分布式協(xié)同技術(shù)，開展了多臺四旋翼無人機搭建三維立體框架結(jié)構(gòu)的研究，使得各無人機在不獲取結(jié)構(gòu)體全局信息的情況下便可完成預(yù)設(shè)結(jié)構(gòu)搭建，極大地降低了無人機系統(tǒng)的控制復(fù)雜度。此外，ARCAS項目關(guān)注于利用裝配在直升機上的機械臂進行裝配作業(yè)。

與常規(guī)的陸基建筑機器人相比，空基營建作業(yè)的最大優(yōu)勢在于飛行器運動空間不受限制、通用性好、可擴展能力強，這有助于在數(shù)字化建筑物設(shè)計方案與自動化營建之間建立更為直接的聯(lián)系，提高施工作業(yè)的靈活性，后繼發(fā)展?jié)摿艽?。不過就當(dāng)前而言，受制于無人飛行器承載能力、建筑任務(wù)分解與規(guī)劃、大載荷下的飛行穩(wěn)定性、多機協(xié)同控制等技術(shù)因素的局限，飛行營建技術(shù)還處于非常初級的概念研究階段，該技術(shù)要真正投入實用還為時尚早。

3.7建筑物機器人化營建框架

前文所述建筑機器人技術(shù)大都針對某一單項任務(wù)，其中多數(shù)系統(tǒng)的研發(fā)目的僅在于對現(xiàn)有手工作業(yè)的替代，整個營建模式依然遵循經(jīng)典模式。事實上，為了最大限度發(fā)揮建筑機器人的優(yōu)勢，既有的建筑結(jié)構(gòu)及營建模式必須發(fā)生適應(yīng)性改變。這便涉及到如何利用機器人開展更為有效的營建作業(yè)這一基礎(chǔ)性問題。

2015年，英國政府資助了一項名為“針對建筑環(huán)境的柔性機器人裝配模塊”（FRAMBE）的新一代建筑機器人研究計劃。該項目由工程機械巨頭Skanska UK領(lǐng)銜，聯(lián)合了ABB Robotics（機器人）、Dekla UK（軟件）、Exelin（咨詢）、The UKs Building Research Establishment（建筑設(shè)計）、Reading大學(xué)等多家機構(gòu)，旨在從整體實施思路出發(fā)，“建立將機器人技術(shù)引入建筑施工的整體框架并進行演示”。FRAMBE的大致思路是基于模塊化思想，建筑物整體采用模塊化結(jié)構(gòu)，利用機器人進行預(yù)置模塊的就近制造，現(xiàn)場采取機器人裝配。該項目目前尚未發(fā)布研究結(jié)果，其最終成果值得期待。

另外一項值得關(guān)注的項目便是Google公司位于山景城的新辦公大樓的建造（如圖9所示）。據(jù)報道，Google計劃研發(fā)一款（套）名為Carbot的機器人來施建造整棟建筑。該建筑將采用模塊化結(jié)構(gòu)，包括墻體、立柱、地板等基本構(gòu)件，可通過對相關(guān)模塊的拆解與重組改變室內(nèi)空間布局，以針對不同的空間使用需求。這種“可變形空間”的思想將極大地簡化室內(nèi)改造的成本和難道。Google的這一項目極具想象力，然而到目前為止尚未見其發(fā)布詳細技術(shù)報告。

圖9　Google新總部建造設(shè)想圖

毫無疑問，隨著機器人技術(shù)越來越多地應(yīng)用于建筑施工作業(yè)，勢必導(dǎo)致建筑物本身及其營建模式的巨大改變。因此，在目前主要著眼于工序替代的建筑機器人研究之外，急需開展更為廣義和具有指導(dǎo)性、方針性的機器人化施工框架研究，以使建筑物-機器人相互適應(yīng)，達到真正自主、智能、高效營建的目的。目前來看，建筑本體及施工作業(yè)的模塊化，是一條較為可行的途徑。

3.8其他建筑機器人系統(tǒng)

建筑機器人的涉及面非常廣泛，除前文所列舉的幾大類，還有其他一些與建筑施工作業(yè)密切相關(guān)的系統(tǒng)。例如，混凝土建筑中需要對鋼筋/鋼絲等線材進行箍扎作業(yè)，該工作耗時費力，近來出現(xiàn)了基于通用機械手的線材編制機器人?；铀谋?、隧道和礦坑內(nèi)壁的混凝土噴漿加固作業(yè)，目前已有投入應(yīng)用的噴漿機器人系統(tǒng)，極大地提高了噴漿效率和噴施均勻度；在大型鋼構(gòu)結(jié)構(gòu)施工中，已有專用的焊接機器人參與部件高精度對接作業(yè)，北京奧運場館“鳥巢”和“中國第一高樓”上海中心的鋼結(jié)構(gòu)施工中均用到了建筑焊接機器人（如圖10所示）；基于SLAM與無人機技術(shù)的建筑物三維重建，在建筑物的勘察、保護等方面亦極具應(yīng)用前景；目前用于建筑物消防、管線清理的機器人系統(tǒng)，更是不勝枚舉。

圖10　其他建筑機器人

總而言之，機器人技術(shù)可應(yīng)用于建筑物營建過程的方方面面，只要需求明確，均可有針對性地研發(fā)相應(yīng)的機器人系統(tǒng)。鑒于建筑施工的業(yè)態(tài)類型極為豐富，其中很多作業(yè)過程目前尚未見機器人技術(shù)涉足，這些空白還有待填補。

4　發(fā)展措施與建議

通過前文的研究現(xiàn)狀可以看出，建筑機器人的研發(fā)具有鮮明的“應(yīng)用導(dǎo)向”特色，其發(fā)展依賴于兩方面的因素：一是相關(guān)通用機器人技術(shù)的進步；二是對建筑行業(yè)施工需求的準確提煉。與之相對應(yīng)，開展建筑機器人研究需立足于這兩個方面，即在明確建筑施工所面臨技術(shù)難題和從業(yè)者實際需求的基礎(chǔ)上，通過對現(xiàn)有機器人技術(shù)的集成、改造和創(chuàng)新，實現(xiàn)建筑機器人技術(shù)的發(fā)展與進階。

針對我國建筑機器發(fā)展欠佳的現(xiàn)狀，遵循由難到易、循序漸進的思路，提出以下幾方面發(fā)展措施或建議：

（1）加速傳統(tǒng)建筑設(shè)備的機器人化改造

對現(xiàn)有的建筑施工設(shè)備進行機器人化改造，是發(fā)展建筑機器人技術(shù)并使其快速投入應(yīng)用的一條捷徑。例如，對于建筑用工程施工車輛，如挖掘機、推土機、壓路機、渣土車等，可基于遙操作、自主導(dǎo)航與避障、路徑規(guī)劃與運動控制、智能環(huán)境感知、無人駕駛等技術(shù)對其進行改造，實現(xiàn)相關(guān)車輛操作的遙控化、半自主化，甚至完全自主化，減少操作人員的工作負擔(dān)、優(yōu)化工作環(huán)境、提升作業(yè)安全性和效率，推進施工作業(yè)的標準化和精細化。參照這一模式，亦可考慮對塔吊、起重機等提舉系統(tǒng)進行遙操作改造，通過遠程遙控操作徹底解除施工人員的安全威脅。

（2）促進即有機器人技術(shù)在建筑業(yè)中的應(yīng)用

目前研發(fā)的很大機器人技術(shù)均屬于通用技術(shù)，它們在建筑業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。例如，在環(huán)境感知與建模方面，可利用無人飛行器（UAV）、輪式/履帶機器人等移動平臺搭載激光雷達、結(jié)構(gòu)光攝像頭、3D視覺等環(huán)境感知設(shè)備，基于多源信息融合、同時定位與地圖創(chuàng)建（SLAM）等環(huán)境建模技術(shù)，實現(xiàn)建筑物內(nèi)外結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的自主測繪與3D建模；利用UAV并配合SLAM技術(shù)，實現(xiàn)土方開挖、廢料清運及結(jié)構(gòu)物施工進度及工程量的實時監(jiān)測，為大尺度施工作業(yè)中多設(shè)備任務(wù)優(yōu)化與協(xié)調(diào)提供鋪墊。再如，基于機械手、移動機器人底盤搭建的通用移動操作平臺，有望替代人工完成諸如砌筑、抹灰、平整、拋光、編織、鋪貼、鉆孔等很多操作。

（3）大力推動建筑業(yè)專用機器人系統(tǒng)研發(fā)

毋庸置疑，建筑業(yè)有其獨有的特殊性，故通用技術(shù)不可能解決所有問題。為了能夠更好地實施營建，根據(jù)建筑業(yè)之特性研發(fā)專用建筑機器人，是極其必要的。例如，3D打印建筑機器人的突出代表“輪廓工藝”技術(shù)，針對房屋施工的各種特殊需求，進行了有效的針對設(shè)計，最終才成就了該系統(tǒng)直接打印包括水電管線在內(nèi)的完整房屋的能力。噴漿機器人、ERO混凝土回收機器人等，均是針對建筑業(yè)的特殊需要定制研發(fā)的。這一方面的工作，后續(xù)要進一步加大力度。

（4）促進可穿戴輔助施工機器人研究

短期之內(nèi)，建筑機器人尚不能完全替代工人施工。因此，未來對于具有防護、增效作用的外骨骼機器人系統(tǒng)的需求會非常旺盛。這類系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計可參考軍用外骨骼機器人進行，功能方面則依賴于具體的應(yīng)用場景。特別是營建施工中大量存在的合作實施工序，需要機器人系統(tǒng)主動予以配合，此時對于人員動作意圖的識別并合理施助，是一個較難解決的問題。

（5）協(xié)同推進適應(yīng)于機器化施工的新型建筑結(jié)構(gòu)及建材研究

為了充分發(fā)揮建筑機器人的優(yōu)勢，傳統(tǒng)的建筑形式與施工模態(tài)必然要作出相應(yīng)的改變。目前來看較為可行的途徑是采用模塊化結(jié)構(gòu)，利用機器人進行模塊的預(yù)制、組裝，這將大幅減小機器人的作業(yè)難度，同時可有效提高新建筑的營建速度。另外，新型建材的研發(fā)也要同步推進。例如，3D打印建筑機器人對于混凝土的流動性、凝固速度等有很高的要求；實施飛行營建則要求各模塊間具有主動結(jié)合的能力。

（6）探索特殊環(huán)境下的建筑機器人施工技術(shù)

以月球/火星基地、核輻射區(qū)蔽掩、水下設(shè)施等為代表的特殊建筑物，施工風(fēng)險極高甚至人員不可達，故只能依賴于建筑機器人進行營建。例如，歐空局正在研發(fā)基于3D打印技術(shù)的月球基地施工機器人；而NASA也資助了“輪廓工藝”的研發(fā)，正在為未來的火星基地建設(shè)做準備。通過發(fā)展建筑機器人技術(shù)，未來包括切爾諾貝利核電站、福島核電站等的隔離設(shè)施的建造難題將迎刃而解。

5　結(jié)語

建筑機器人作為一個具有極大發(fā)展?jié)摿Φ男屡d技術(shù)，有望實現(xiàn)“更安全、更高效、更綠色、更智能”的信息化營建，整個建筑業(yè)或借機完成跨越式發(fā)展。建筑業(yè)在我國屬于支柱產(chǎn)業(yè)，2015年其總產(chǎn)值達18.08萬億元，占到GDP近27%的份額，從業(yè)者近5000萬，這一龐大的內(nèi)需市場為我國建筑機器人的發(fā)展壯大提供強有力的保障。在十三五規(guī)劃中，明確支持將大力發(fā)展機器人技術(shù)，這一方針對建筑機器人的開發(fā)應(yīng)用產(chǎn)生極為深遠的影響。十?dāng)?shù)年來，我國在工業(yè)機器人、特種機器人以及機器人通用技術(shù)方面已經(jīng)積累了較多的經(jīng)驗，并儲備了大量人才，加之國家大力倡導(dǎo)創(chuàng)新的利好局勢，建筑機器人未來在我國必將取得長足的發(fā)展。

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于軍琪（1969-），男，博士，西安建筑科技大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，西安建筑科技大學(xué)研究生院副院長，智能建筑學(xué)科負責(zé)人，國家公派英國雷丁大學(xué)訪問學(xué)者。擔(dān)任全國高等學(xué)校建筑電氣與智能化學(xué)科專業(yè)指導(dǎo)委員會副主任、陜西省土木建筑學(xué)會智能建筑專委會副主任等職務(wù)。長期從事建筑電氣與智能化、建筑機器人等科研與教學(xué)工作。

曹建福（1963-），男，陜西寶雞人，博士，西安交通大學(xué)電信學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，中國自動化學(xué)會理事，陜西省自動化學(xué)會副理事長兼秘書長。研究方向包括先進機器人控制、工業(yè)系統(tǒng)故障診斷與非線性系統(tǒng)理論等。