工程建造机器人的应用与发展

工程建造机器人的出现本质上是对传统劳动力的“体力”替代，传统的施工现场是典型的非结构化场景，其复杂程度远远高于制造业结构化的工厂环境，要解决的问题远比工业机器人要复杂得多。工程建造机器人的出现，能够将人从危险、沉重、单调重复的作业中解放出来，较好地改善工作环境、解决劳动力短缺问题、有效提高建筑业的生产效率，对建筑业的转型升级和发展具有重要意义。

（1）砌砖机器人

美国公司推出了一款名为SAM100 的砌砖机器人（图5.7），能够通过传感器和激光器来测量倾斜角度、速度、方向等各种参数，最终通过算法完成定位实现砌筑。通过激光器装配在机器人工作空间左右两侧之间，精准实现构件位置的定位，使机械臂能随着工作进度沿墙壁上下移动。该机器人每天可砌砖3 000 块（国内一名工人的砌砖量为800～1 200 块 / 天）。

图5.7　砌砖机器人

（图片来源：Fost　brick　Robotics）

在澳大利亚诞生的世界上第一台全自动商用建筑机器人Hadrian X，它能以200 块 / h的速度全天24 h 进行铺砌，但成本较高，达到200 万美元。Hadrian X 利用建筑胶来替代传统水泥进行砖块黏合，大大提升了建筑的速度和强度，还能改善结构热效应，从而提高结构耐久性。Hadrian X 可针对不同尺寸的砖块，进行切割等各种工艺技术处理。目前，上述两款机器人均已投入商用。

（2）墙 / 地面施工机器人

在国内，河北工业大学、河北建工集团在2011 年研发了我国第一套面向建筑板材安装的辅助操作机器人系统——C-ROBOT-Ⅰ（图5.8）。该机器人系统面向大尺寸、大质量板材的干挂安装作业，可用于大理石壁板、玻璃幕墙、天花板等各类板材的安装，广泛应用于大型场馆、楼宇、火车站与机场工程项目的安装作业。C-ROBOT-Ⅰ由搬运机械手、移动本体、升降台和板材安装机械臂组成，采用超声波、激光测距仪、双轴倾角传感器、结构光视觉传感器等进行板材姿态检测与调整控制，从而保证板材安装的精准。其最大承载能力约为2 t，满载时移动本体平面移动速度为8 km / h，最大安装高度可达5 m，最大可操作板材尺寸为1 m×1.5 m，可操作板材质量达70 kg 以上，安装精度约为0.1 mm。在该系统的支持下，两名工人便可完成大型板材的安装，工作效率较传统作业方式可提高约30 倍。

图5.8　墙/地面施工机器人

（图片来源：河北建工集团）

（3）喷涂机器人

韩国仁荷大学与大宇建筑技术研究所合作研发的外墙自动喷漆机器人能够实现全自动喷漆，如图5.9 所示。该机器人的喷漆装置零部件包括压缩机、油漆罐、刷子、流量传感器、油漆测厚仪等，采用一个基于PID 恒流量控制系统对喷漆的流速进行精确控制。其最大优势在于可以实时监测周围风速大小，自动地改变吸盘吸力大小，确保其稳定地进行作业。经测试，该机器人可以0.11 m / s 的速度移动喷漆。

图5.9　喷涂机器人

（图片来源：李朋昊　等（2018）.建筑机器人应用与发展）

（4）清拆机器人

传统粗放式的清拆作业，资源利用效率低下，使得大量混凝土材料被当作垃圾处理，并且后续也需要大量的人力对材料进行分离回收处理，而且后续的材料（如钢筋）分离回收又会造成人力的巨大耗费。因此，目前所研发的清拆机器人的作业方式包括两种：一种是“冲击破碎”，另一种是“分离回收”。

以冲击破碎为作业方式的清拆机器人大多是从人为驾驶的清拆设备发展而来，其主要特点是以无线遥控操作技术来代替原有的人工驾驶系统。美国Brokk 公司研发清拆机器人已40 余年，研发了共计17 台Brokk 系列清拆机器人［图5.10（a）］，能够基于不同场景和环境的建筑条件完成各类拆除任务。通过使用遥控技术，该公司可以将Brokk 清拆机器人主要用于楼宇降层拆除、大型商场室内改造拆除、地铁隧道岩石破拆、构筑物中的梁板柱拆除等一系列拆除施工。由于其体积小巧的特点，Brokk 机器人可以在小挖和风钻作业的隧道等场景中轻松出入，完成破拆作业。

采取分离回收方式的清拆机器人系统能够在混凝土与钢筋剥离的同时完成资源的回收。瑞典默奥大学所开发的ERO 机器人［图5.10（b）］系统即基于这一思路。ERO 机器人由移动本体和机械臂组成，通过高压水枪喷射混凝土表面，使其内部产生许多细微的裂缝，随后瓦解剥落。因此，混凝土中的砂石、水泥与钢筋就可以分离，砂石和水泥可以进行回收打包，以供未来进行重复利用。ERO 机器人系统目前正处于生产测试阶段，其所倡导的资源再利用、无污染清拆理念，代表了清拆机器人未来的发展趋势。国内目前也有一些企业研发了基于高速射流的破拆设备，但在拆除材料进行资源化回收方面还有所欠缺。

图5.10　清拆机器人

（图片来源：于军琪（2016）.建筑机器人研究现状与展望）

（5）智能巡检机器人

智能巡检机器人（图5.11）在对建筑各主要用能系统开展巡检的同时，也可作为建筑现场的中继装置，负责各类设施设备能耗数据、BA 系统数据及运行参数的采集和上传。数据采集主要依靠图像识别和无线传输。巡检机器人可以通过自身搭载的高清可见光及红外摄像机，配合机械臂采集建筑设施设备或各类表具的高清图像，并采用计算机视觉技术对图像数据进行深度学习算法处理，可对建筑设施设备的种类及故障等进行自动识别。此外，通过图像识别功能，智能巡检机器人也可实现对电梯及其他设备的操控。智能巡检机器人还具有红外温度识别与故障诊断功能。机器人在进行红外普测前可预先设置检测点位，并对检测点进行整体扫描式设备识别和温度采集，保证了区域内的设备不被遗漏。机器人将每日保存测温照片，跟踪数据动态变化并形成报表，如发现明显突变的情况，运维人员将收到提示信息并进行现场核对。运维人员还可以使用巡检机器人进行精确测温，而综合机器人巡检能力以及测温覆盖率和准确性，分析总结每类设备可能发生故障的关键测温点。通过建筑设施智能巡检机器人所携带的高精度温度、湿度、CO、CO2、PM2.5 浓度等传感器以及烟雾感应器，机器人可以实时采集环境参数并上传至平台分析处理，一旦发现参数异常，便可以通过现场语音播报或者通过平台告知运维管理人员。巡检机器人内置的烟雾感应器和报警器可随时随地进行监测，一旦感应到烟雾，安全报警功能就会启动。机器人一方面会进行线上和线下报警，也会同时启动红外测温，自动寻找烟雾来源，拍摄现场照片，并将位置发送至云平台，方便运维人员第一时间赶到现场，另一方面，现场也会通过语音来对烟雾情况进行告警，以便及时处理问题。

图5.11　智能巡检机器人

（图片来源：大陆智源公众号）

（6）钢结构机器人

钢结构在大厅、飞机库、工厂、大型会议中心等建筑中广泛使用。这种结构的特点是标准化，因此使自动化成为钢结构施工方式的可行的选择，但钢结构需要复杂的连接系统和连接操作，需要组装机器具备高水平的灵巧性和准确性，钢结构机器人（图5.12）很好地满足了这种需求。并且钢结构机器人可以将一些大而重的钢结构部件准确、安全地处理和连接，此外，其还可以代替人工进行构件的焊接，既可避免人工焊接时造成的灼伤、视力损伤、吸入有毒气体等伤害，又可保证焊接质量的稳定，提高一次探伤合格率。钢结构机器人的引入，使生产效率提高了1 倍以上，大大降低了工人劳动强度，并且其能够更好地控制和保证焊接部件之间的连接质量。例如梁上两个或多个不同但协调的位置可以同时自动焊接甚至能够确保钢结构部件不会变形，从而保证高精度。

图5.12　钢结构机器人

（图片来源：搜狐新闻）

（7）混凝土结构机器人

混凝土结构机器人主要分为混凝土配送机器人和混凝土精加工机器人（图5.13）。混凝土配送机器人用于在大面积或模板系统上分配具有均匀质量的混合混凝土。使用高性能机器人与使用高性能混凝土供应泵是互补的。该类别的系统范围包括从水平和垂直物流供应系统到紧凑型移动混凝土分配和浇筑系统，可在各个楼层较大的范围上运行。机器人通过简单的预定动作，以准确的方式重复运动，使混凝土分配和浇筑系统能够均匀分布混凝土。目前该混合系统还未达到完全的自动化，仍需要专业技术人员监督指导。

(www.xing528.com)

图5.13　混凝土精加工机器人

（图片来源：搜狐新闻）

在施工现场进行混凝土处理时，建筑工人经常被要求在作业过程中对混凝土进行调平和压实。混凝土精加工机器人的出现提高了工作效率和劳动生产率，并保持了整个表面的整体质量。混凝土精加工机器人的出现能够充分将混凝土中的空气除去，压实混凝土混合物内的颗粒，强化混凝土及增强材料的密度，加强混凝土与钢筋之间的黏结。并且，它还把建筑工人从重复机械化的劳动中解脱出来，在保证施工质量的同时还减轻了施工人员的工作负担。

混凝土3D 打印机器人将以上两种技术整合，最终实现建筑结构的一体化施工，清华大学建筑学院徐卫国教授团队自主研发“机器人3D 打印混凝土移动平台”，其组成包括可移动机械臂及3D 打印设备、轨道及可移动升降平台、拖挂平台等。这项机器人技术只需2 人在移动平台上操作按钮，即可完成整栋房屋的打印建造，实现在施工现场完成所有基础、墙体、屋顶的直接打印，它充分集成并简化了混凝土3D 打印的工艺，极大程度减少用工量，施工速度快，建造成本低。最近将这两项科技成果成功应用于非洲低收入住宅的样板房实际打印建造，在清华大学无锡应用技术研究院实验基地，建成真正意义上的3D 打印混凝土建筑。

（8）预制木结构机器人

面对越来越大并且日趋复杂的木结构建筑产品需求，传统木结构加工工厂已经逐渐无法满足。在常规生产过程中，工厂往往需要花费大量的时间与精力处理建筑模型，将设计图转换成工人可阅读的加工图，出图的失误与加工的误差自然难以避免。不仅如此，一旦修改设计，又会使造价与工时大幅度增加。预制木结构机器人（图5.14）的出现，使设计师只需提供通用的设计成果数据格式，例如CAD 软件中的模型与图层信息，机器人软件会自动提取相应图层信息，将木构件的几何数据，例如孔位、深度、孔径、槽宽、槽深、角度等信息与机器人的路径规划进行智能关联，自动生成每一个工艺的加工路径。整个流程基于建筑行业的通用软件，通过图形化的操作降低生产线上技术人员的编程难度，首次实现了在大型木构件预制生产中CAD 图纸与机器人建造的自动化对接。另外，设计师和工厂操作人员可在软件界面中直观地看到机器人工作全流程的模拟动画，并通过限位报警和碰撞信息等分析出加工过程中可能出现的各种危险，及时调整设计与加工策略。同时，软件生成的机器人加工程序可以一键启动机器人进行工作，完全脱离机器人示教器，整个操作过程高度智能化、便捷化。机器人系统地介入取代了工人读图和放线的传统生产过程，同时提升了切割、开槽、打孔效率和准确性。经实践分析，大尺度木结构的加工过程耗时减少40%，单台机器人的产能可替代两个熟练技工。

图5.14　预制木结构机器人

（图片来源：预制建筑网）

（9）钢筋加工生产和定位机器人

钢筋混凝土结构需要大量钢筋加工生产相关的施工操作，包括切割、弯曲、绑扎、精确布置以及加强筋元件或网格在楼板或模板系统中的定位，均具有一定的操作难度。钢筋加工生产和定位机器人（图5.15）不但可以大幅度提高效率与精确度，提高与加固生产定位相关工作的生产力和质量，还可以降低对员工健康的影响和施工风险。钢筋弯折机器人可以布置在预制化工厂，施工工地上使用中小型机器人装备需要高度移动性和紧凑性，以适应临时部署的要求。此外，该类机器人也包括较小尺寸的移动机器人，可以帮助各个楼层的 工人处理、定位和固定局部加强钢筋元件。

图5.15　钢筋加工生产和定位机器人

（图片来源：城市技术公众号）

（10）装配式飞行机器人

装配式飞行机器人（图5.16）不仅可以应用于检查、监测、测量等任务，还可以应用于工程物流和建筑结构装配。此外，装配式飞行机器人由于独立于道路和其他基础设施，可将场地从诸如起重机等重型设备中解放出来的优点充分发挥，但在全面实施整体工程方面所面临的挑战仍是巨大的（有效荷载、电源、组装方法等）。研究人员目前正在重点研究飞行轨迹、算法、建筑模块化、组装顺序和自动化通道等相关技术方法。目前，已经可以利用装配式飞行机器人进行较为精密的装配操作。

（11）表皮安装机器人

图5-16　装配式飞行机器人

（图片来源：中国知网）

建筑立面单元安装操作包括窗户的定位和调整、完整的立面单元安装或建筑物的外墙安装。现代建筑特别是高层建筑中的立面元素与钢筋混凝土或钢结构主体是相对独立的，因此可以被认为是一种表皮系统。立面单元的安装操作是相对复杂的操作过程，涉及将重型部件或单元构件精确地定位在建筑工人难以接近的位置。此外，预制外立面单元的定位和对准要求精度高，误差小。表皮安装机器人（图5.17）不但可以完美地符合要求，提升施工质量，还可以大大提高生产效率。截至目前，立面单元安装系统一直是研发部门的热门话题。该类别包括可在单个楼层上使用的移动机器人，用于安装立面构件的具有高度移动性的蜘蛛式起重机等，都具有非常重要的实用价值。

图5.17　表皮安装机器人

（图片来源：Glass　Land　Company）

（12）防火涂料机器人

在许多国家，建筑相关法规要求钢结构应覆盖防火涂料。若使用工厂预置防火涂料的钢结构，只有在钢结构都得到精准的连接，并且在组装操作期间避免对防火涂层造成任何损坏的情况下，才能保证其可行性与安全性。因而使工厂预置防火处理显得不实际，现场防火涂料机器人（图5.18）便应运而生。特别是在由于地震等因素鼓励广泛使用钢结构的国家，在现场搭建后，能够对钢结构进行涂装的自动化机器人系统的开发和使用具有大量的实际需求。在这类机器人领域，诸如SSR1、SSR2 和SSR3 等机械系统的发展从1980 年延续到今天，已经出现了很多种类的建筑机器人。该类别可以分为两个主要的子类别：一类是系统安装在移动平台端的机器人操纵器上，可以跟随要涂装的构件移动；另一类系统则直接连接到梁或柱，借此沿着它们所涂覆的构件移动。

图5.18　防火涂料机器人

（图片来源：新加坡南洋理工大学）

（13）回收机器人

回收机器人（图5.19）不但会进行废料的回收，还会对废弃建筑进行拆除。它会首先扫描整个墙面，测算出清除路径，然后开始相应的拆除工作。然后使用高压水枪将混凝土破坏和粉碎，最后剩下的就是有锈斑的钢筋。整个过程看起来像被逐层擦掉一样。与此同时，机械头还有强大的吸力回收装置，能够在击穿墙面的同时把废水废料吸到体内。随后这些废水废料会被机器里面的离心系统分类，水泥废料会被包装起来送到附近的水泥厂处理，而废水则循环再用。

图5.19　回收机器人

（图片来源：Archello）