工程机器人的应用领域和发展趋势

工程机器人是一种面向高危及特殊环境下依靠自身动力和控制能力来进行工程施工作业的遥操作多关节机械手或多自由度机器人。它既具有工程机械的大功率、多功能、适用范围广的优点，又具有机器人的灵活移动、环境感知、智能识别等各种功能。

工程机器人本质上就是对人类“体力”的替代，主要在非结构环境下工作，靠接受人类指挥或依据以人工智能技术制定的原则纲领行动。因此，工程机器人更强调感知、思维和复杂行动的能力，比一般意义上的工业机器人需要更大的灵活性和机动性，具有更强的感知能力、决策能力、反应能力以及行动能力。工程机器人从外观上也远远脱离了最初工业机器人所具有的形状。工程机器人融合了更多学科的知识，如机构学、控制工程、计算机科学、人工智能、微电子学、光学、传感技术、材料科学、仿生学等。

工程机器人按作业方式可以分为破拆机器人、搬运机器人、抓取装卸机器人、探测机器人等。根据应用领域可以分为农林业工程机器人、工业工程机器人、建筑工程机器人、矿业工程机器人、核工业工程机器人、抢险救援工程机器人、军事工程机器人等。

在建设工程项目中所用到的机器人都属于工程机器人，包括了预制建造机器人、现场建造机器人、运营维护机器人、破拆机器人。其中，预制建造机器人多在预制工厂中使用，其特征类似于工业机器人，技术相对成熟；而在施工现场阶段，其场景复杂、非结构化特征明显，对应的机器人类别具有特殊性，本书第5 章将详细介绍与工程建造相关的机器人。

从机器人人工智能融合的替代形态演化和成熟度视角来看，其应用可分为下述3 类。

（1）单项功能型机器人：机械手（臂）

机械手（臂）是指能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。特斯拉公司在它的汽车生产线中用160 个机械臂替代了3 000 名工人的工作，机械臂能够独立地进行焊接、机械切割、磨削、抛光、装配等工艺，实现了高度的自动化。上海大界机器人公司研发的建筑行业使用的机械臂，融合了艺术、设计、计算机科学、人工智能与工业制造多项技术，通过智能化编程、数字化设计以及人机交互技术，实现了机械臂在木结构建造中对人力的替代。(www.xing528.com)

（2）骨骼融合型机器人：可穿戴外骨骼机器人

外骨骼机器人是一类模仿人体生理构造、可穿戴于人体外部、提高人类一定生理机能和对人体产生一定防护的机械装置。由于其安装位置和产生的作用和生物界中的外骨骼很相似，故将其称为人类外骨骼。在建筑施工领域，外骨骼机器人尚未投入长期使用，仍处于概念提出和原型机开发阶段。典型系统有麻省理工学院的d’Arbeloff 实验室开发的SRA和SRL（Supernumerary Robotic Arms / Limbs）（图2.2）。SRA 系统主体由两个六自由度机械臂和一套佩戴于工作人腕部的传感器系统构成，通过采用背囊式结构能够辅助施工人员托举、稳定重物，以便在复杂环境下实施更为精准的安装作业。SRA 最为显著的特点在于能够识别工作人员行为意图，自主决定在何时、何地给予施工帮助，简化了工作人员的操作流程。SRL 系统能通过计算机、平板电脑等无线设备进行操作，主要用于高空作业时的人员及相关设备、设施的防护，能助力支持工作人员进行钻孔等作业并稳定其工作位姿。SRL 通过背带固定于工作人员腰部，主体包括两个三自由度机械臂，可实现上下、左右及前后运动。

图2.2　施工用外骨骼机器人

（图片来源：建筑机器人研究现状与展望）

（3）仿生群体机器人：类（仿）人机器人

类（仿）人机器人（Humanoid Robot）是一种外形拟人的机器人，“仿人”的意义在于机器人具有类人的感知、决策、行为和交互能力。即不仅具有类人的外形外观、类人的感觉系统、类人的智能思维方式、控制系统及决策能力，更重要的是其最终表现出来的“行为类人”。由中国香港的汉森机器人技术公司（Hanson Robotics）开发的类人机器人“索菲亚”，是历史上首个获得公民身份的一台机器人，她看起来就像人类女性，拥有橡胶皮肤，能够表现出超过62 种面部表情她的“大脑”中的计算机算法能够识别面部，并与人进行眼神接触。