作為國民經(jīng)濟的重要一環(huán)，建筑業(yè)影響著中國經(jīng)濟發(fā)展、人民就業(yè)和社會穩(wěn)定。隨著中國城鎮(zhèn)化水平的提高，建筑業(yè)發(fā)展迅猛。2021年上半年，中國建筑業(yè)企業(yè)總產(chǎn)值為 119 843.55 億元，同比增長18.85%，占國內(nèi)生產(chǎn)總值比重為6.26%[1]。然而，由于信息化和智能化程度低、管理粗放、過度依賴工人作業(yè)等原因，中國建筑業(yè)一直存在質(zhì)量低下、利潤不高、工期冗長等問題[2]。另一方面，中國建筑業(yè)安全事故頻發(fā)，在2012~2018年間發(fā)生4100起市政工程安全事故，死亡人數(shù)達5011人[3]。此外，在社會老齡化、青少年價值觀轉(zhuǎn)變等因素的影響下，建筑業(yè)正面臨著勞動力短缺的窘境。因此，中國建筑業(yè)迫切需要轉(zhuǎn)型升級，通過新的建造模式來促進行業(yè)的健康發(fā)展。

建筑機器人是指應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域的機器人系統(tǒng)，能按照計算機程序或者人類指令自動執(zhí)行簡單重復(fù)的施工任務(wù)。建筑機器人對建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義[4]：①提高生產(chǎn)效率，縮短施工周期；②改善現(xiàn)場施工環(huán)境，保障工人的安全與健康；③降低用人成本，解決勞動力缺乏問題；④減少資源浪費，保護生態(tài)環(huán)境。由于建筑機器人正好彌補了建筑行業(yè)面臨的制約因素，2020年9月，中國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布了《住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等部門關(guān)于推動智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見》，指出“加快部品部件生產(chǎn)數(shù)字化、智能化升級，推廣應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)、智能化裝備和建筑機器人”[5]。由此可見，建筑機器人的建造模式是建筑業(yè)未來發(fā)展的主要方向。

隨著人工智能技術(shù)、傳感器技術(shù)和 BIM 技術(shù)的發(fā)展，用于現(xiàn)場施工的建筑機器人技術(shù)逐漸成熟，單任務(wù)施工機器人（搬運機器人、安裝機器人等）和集成機器人建造現(xiàn)場大量涌現(xiàn)，使得施工任務(wù)更加高效、精準和安全[6]。然而，中國建筑機器人研究起步較晚，技術(shù)研究較為分散，且缺乏統(tǒng)一的技術(shù)體系和標準[2]。另外，隨著建筑機器人的普及應(yīng)用，機器人對復(fù)雜建筑環(huán)境的適應(yīng)、機器人在工地的管理維護和新型產(chǎn)業(yè)工人的培養(yǎng)等一系列問題值得深入探討。為此，本文對國內(nèi)外建筑施工機器人的研究案例進行梳理和介紹，并根據(jù)中國建筑施工機器人的使用情況，提出相應(yīng)發(fā)展建議以期為相關(guān)企業(yè)機構(gòu)拓寬研究思路，為中國建筑施工機器人的發(fā)展提供參考。

1.1 建筑機器人發(fā)展歷程

建筑機器人概念最早在20世紀70年代提出，經(jīng)過大量的試驗，1982年第一款建筑機器人（SSR1）成功被應(yīng)用到防火涂料作業(yè)中[7]。此后美國、歐洲發(fā)達國家和澳大利亞等國家也投入到建筑機器人研究當中，以替代人工開展危險且粗重繁復(fù)的施工作業(yè)[8]。近年來，中國企業(yè)機構(gòu)開始研發(fā)建筑機器人，一些能夠完成單一施工工序的自動化或半自動化機器人設(shè)備逐漸出現(xiàn)[2]。據(jù)美國 Guidehouse Insights咨詢公司統(tǒng)計，到2030年，全球建筑機器人的市場規(guī)模達 110億美元，年增長率達到 29%[9]。然而，由于建筑施工環(huán)境的復(fù)雜性和多樣性，目前建筑機器人可處理的工作量遠遠滿足不了工程實際需要，表明全球建筑機器人應(yīng)用市場仍處于培育期[10]。

建筑機器人的常見分類有以下幾種：根據(jù)概念可分為“廣義”和“狹義”兩類，分別指用于建筑生命全周期（設(shè)計、施工、運維、破拆）和工程施工環(huán)節(jié)（基礎(chǔ)、主體和裝修施工）的機器人設(shè)備[11]；根據(jù)使用場合，可分為施工場地外機器人設(shè)備（如預(yù)制件加工設(shè)備等）和施工場地內(nèi)機器人設(shè)備（如搬運機器人等）；根據(jù)智能程度，可分為遠程遙控機器人設(shè)備、可編程式機器人設(shè)備和智能機器人設(shè)備，其中遠程遙控機器人設(shè)備的控制是通過有線或無線遙控器實現(xiàn)，機器的運行基本還是受限于工人控制，而可編程式機器人設(shè)備可以通過選定預(yù)先編程的功能或設(shè)定新功能，在一定的限制條件下改變要完成的任務(wù)。不同于前兩者，智能機器人設(shè)備可在無需人為干預(yù)的情況下完成施工任務(wù)，具有感知環(huán)境、制定規(guī)劃、自動運行和故障報警等功能[12]。

1.2 建筑機器人系統(tǒng)組成

建筑機器人一般由控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和機械系統(tǒng)四大系統(tǒng)組成（圖1）[12]。

控制系統(tǒng)作為機器人的大腦，通過程序指令和人機交互等方式協(xié)調(diào)和管理其他系統(tǒng)的工作；感知系統(tǒng)作為機器人的眼睛，通過內(nèi)部傳感器和外部傳感器分別收集機器人內(nèi)部系統(tǒng)（如機器人的位姿、狀態(tài)等）和外部環(huán)境的信息（如障礙物檢測、位置檢測等）；驅(qū)動系統(tǒng)作為機器人的肌肉，為機械系統(tǒng)的運動提供動力，包括電動、氣動和液壓裝置3種形式；機械系統(tǒng)作為機器人的骨架，是實現(xiàn)相關(guān)施工動作的基礎(chǔ)，包含移動底盤、連接裝置、執(zhí)行裝置和其他部件。在建筑機器人施工過程中，控制系統(tǒng)首先下發(fā)指令給驅(qū)動系統(tǒng)，收到指令的驅(qū)動系統(tǒng)再以特定的速度和方向驅(qū)動機械系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的施工動作，而感知系統(tǒng)在整個過程中不斷收集機器人系統(tǒng)內(nèi)外部的狀態(tài)信息，再把這些信息反饋給控制系統(tǒng)，進一步調(diào)整機器人的運動，從而形成閉環(huán)控制。

本節(jié)主要針對工程施工環(huán)節(jié)的代表性建筑機器人，闡述主體結(jié)構(gòu)施工、裝修施工和其他新型建筑施工機器人的研究現(xiàn)狀。

2.1 主體結(jié)構(gòu)施工機器人

房屋主體結(jié)構(gòu)包括磚混結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)，其建造過程主要包括砌磚、混凝土澆筑和地面整平抹平等工序，這些工序大都屬于危險作業(yè)，需要消耗大量的人體勞動，并且在施工過程中產(chǎn)生的粉塵、噪聲等危害因子會對人體健康造成不可逆的損害[13-14]。為了解決上述問題，建筑機器人應(yīng)時而生，它不僅能長時間工作，避免工人面臨的危險隱患，還能節(jié)約勞動力，解決工人短缺問題。目前，研究較為廣泛的主體結(jié)構(gòu)機器人為砌磚機器人和混凝土地面處理機器人，本節(jié)主要針對這些機器人的技術(shù)研究展開描述。

2.1.1 砌磚機器人

在建筑施工中，砌磚工序占據(jù)較大的工作量，其施工效率與質(zhì)量很大程度上決定著工程工期與質(zhì)量。傳統(tǒng)砌磚工序多為人工操作，施工質(zhì)量參差不齊[15]。為了改善傳統(tǒng)砌磚工序，國外發(fā)達國家率先研發(fā)自動化砌磚機器人，技術(shù)處于領(lǐng)先水平（表1）。例如：美國 Construction Robotics 公司研發(fā)的軌道式SAM100機器人，由機械臂、傳遞系統(tǒng)及位置反饋系統(tǒng)組成，效率較人工提高了3倍~5倍，是中國砌磚機器人研發(fā)參考的主要原型[16]；澳大利亞Fastbrick Robotics 研發(fā)的 Hadrian X機器人配備了28m的伸縮機械臂，能基于3D模型自主建造單棟建筑物的墻體，施工效率和精度分別達到1000塊/h和0.5 mm[17]；美國 Construction Robotics公司研發(fā)的 MULE砌磚機器人通過提升夾取機構(gòu)和精密定位裝置協(xié)助工人進行砌磚操作，較人工效率提升了2倍（圖2）[18]。以上商用產(chǎn)品充分證明了砌磚機器人的優(yōu)勢，但仍存在一些問題，如需依賴人工操作、使用非傳統(tǒng)建材等。

相比于國外，目前中國的砌磚機器人缺乏可應(yīng)用的產(chǎn)品，依然停留在研究階段，其研究領(lǐng)域包括機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、視覺定位系統(tǒng)研發(fā)和任務(wù)規(guī)劃等[19-20]。如上海建工四建集團和上海大界機器人聯(lián)合研發(fā)了一款可實現(xiàn)“定位-上磚-抹灰-擺磚”的砌磚機器人，包含越障移動底盤、上磚裝置、抹灰裝置和六軸機械臂等結(jié)構(gòu)[19]。砌磚機器人工作流程如圖3（a）~（c）所示，機械臂與上磚抹灰系統(tǒng)組成砌墻機器人整體裝備，在施工中，工人首先把磚塊放至傳送帶上，磚塊經(jīng)傳送帶輸送到指定位置后，由機械臂精準抓取至抹灰口進行自動抹灰操作，然后機械臂再把磚塊放至指定的砌筑位置，完成砌筑工作。在定位導(dǎo)航和任務(wù)規(guī)劃方面，這款機器人以 ROS導(dǎo)航作為導(dǎo)航系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)，結(jié)合適用于室外、坑洼地帶環(huán)境的Cartographer算法實現(xiàn)機器人的自主移動，且在開展任務(wù)前利用Rhino虛擬軟件模擬砌筑路徑和速度，使得任務(wù)執(zhí)行得更加流暢和高效。綜合以上功能，機器人在實際工地環(huán)境測試中能自動完成砌筑工作，墻體平整度和垂直度分別達到2.5mm和3.5 mm，均滿足施工規(guī)范要求。此外，機械臂作為砌筑的關(guān)鍵機構(gòu)，其運動規(guī)劃決定著砌筑的功效和質(zhì)量。目前機械臂的控制主要借助人工示教和編程實現(xiàn)，但是這種方法存在效率低和耗時長等問題，不適用于復(fù)雜多樣的建筑環(huán)境[20]。為此，華中科技大學(xué)丁烈云院士提出了一種結(jié)合 3D 圖像重建和 BIM技術(shù)的任務(wù)規(guī)劃方法，將需要構(gòu)建的建筑模型轉(zhuǎn)化為控制機器人的信息（包括施工現(xiàn)場、機器人參數(shù)和任務(wù)內(nèi)容等信息）[20]。這種方法的技術(shù)理論和框架如圖3（d）所示，其核心內(nèi)容主要包括三部分：建立基于 BIM模型的任務(wù)描述，通過場景重建補充裝配建材的空間位置信息和生成機器人的控制指令。為了檢驗這種任務(wù)規(guī)劃方法的效果，試驗人員利用砌墻機器人分別砌筑難度不同的建筑模型（直墻模型，階梯模型和金字塔模型），并比較新型方法和人工示教方法的耗時，見圖3（e）、（f）。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這種新型方法的任務(wù)規(guī)劃總耗時低于人工示教方法的一半，并且隨著模型難度的增加，人工示教的任務(wù)規(guī)劃耗時明顯增加，而新型方法的任務(wù)規(guī)劃耗時基本不變，說明結(jié)合3D圖像重建和 BIM 技術(shù)的任務(wù)規(guī)劃方法更高效。總的來說，面對復(fù)雜多樣的建筑環(huán)境砌墻機器人如何快速準確完成砌筑任務(wù)是未來主要的研究熱點。

2.1.2 混凝土地面處理機器人

混凝土地面處理是混凝土澆筑時較為關(guān)鍵的施工工序，傳統(tǒng)工藝對工人的體力產(chǎn)生極大的消耗，而且施工質(zhì)量也難以保證[21]。隨著激光標定技術(shù)和控制技術(shù)的進步，市面上出現(xiàn)了自動化混凝土地面處理裝備（激光整平和抹平機），用于替代傳統(tǒng)人工作業(yè)[21-22]。激光整平和抹平機主要由整平或抹平頭、激光系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，其工作原理及步驟如圖4所示，工人首先安裝激光發(fā)射器，通過激光發(fā)射器旋轉(zhuǎn)形成激光控制平面，然后手持接收桿將標高信息發(fā)送到機器，機器接收到激光信號后，通過液壓系統(tǒng)控制閥調(diào)整整平或抹平頭的高度，實現(xiàn)混凝土地面的整平抹平[22]。經(jīng)過項目施工發(fā)現(xiàn)，相比傳統(tǒng)工藝，激光整平機可以做到地面一次成型，工人數(shù)量降低 60%，成本節(jié)約2~3元/平方米，精度提升3倍左右，因此表明激光整平機優(yōu)勢明顯[22]。

目前混凝土地面處理裝備大多是手扶式、駕駛式、伸臂式、遙控式4種類型，仍需有操作經(jīng)驗的工人配合施工，這額外增加了混凝土地面處理裝備的施工成本和安全隱患[23]。智能化混凝土地面處理機器人的研發(fā)可有效解決上述裝備所面臨的問題：但受限于自身定位和路徑規(guī)劃等技術(shù)，難以實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。為此，哈爾濱工業(yè)大學(xué)針對混凝土地面整平機設(shè)計了一套視覺定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境中合作靶標的位置，進行地圖構(gòu)建和定位[21]。測試發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)能在盲區(qū)和機器抖動時有效識別出機器人的位姿，但當相機離靶標距離越大時，其精度越差，因而還難以進行實際的工程應(yīng)用。另外，建筑市面上也出現(xiàn)了商用的智能化激光地面整平機，其主要利用工程圖紙和 BIM 模型進行自主定位導(dǎo)航，但在不同戶型施工時需頻繁切換圖紙和模型，這無疑降低了施工效率，使用效果還有待工程實踐驗證[24]。因此，穩(wěn)定高效的自主定位導(dǎo)航系統(tǒng)是開發(fā)智能化混凝土地面處理機器人的關(guān)鍵。

2.2裝修施工機器人

裝修施工是建筑工程不可或缺的環(huán)節(jié)，主要包含打磨作業(yè)、噴涂作業(yè)和瓷磚鋪貼作業(yè)等工序，這些工序危害人體健康，而且極具施工安全隱患[25]。因此，智能施工機器人的研究受到熱捧。本節(jié)主要介紹墻地面打磨機器人、噴涂機器人和瓷磚鋪貼機器人的研究進展。

2.2.1 墻地面打磨機器人

在裝修施工時，天花板、墻面部分區(qū)域需進行打磨作業(yè)。傳統(tǒng)的墻面打磨嚴重依賴人工作業(yè)，施工質(zhì)量因人而異，而且施工環(huán)境極其惡劣，容易引起呼吸系統(tǒng)、聽力損害等疾病[13-14,25]。針對以上問題，需開發(fā)一款少人化或無人化施工的打磨機器人，實現(xiàn)墻地面的自動打磨作業(yè)。現(xiàn)有墻地面打磨機器人主要由機械臂、移動底盤、打磨頭、墻面高度檢測設(shè)備和導(dǎo)航裝置等系統(tǒng)組成，其關(guān)鍵技術(shù)包含機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、墻面平整度檢測和運動控制等[26-27]。

2021年，煙臺大學(xué)基于3D視覺技術(shù)設(shè)計了一款高精度墻面打磨機器人系統(tǒng)[圖5（a）]，其包含打磨系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、3D視覺系統(tǒng)和移動平臺等部件[26]。它利用 3D線激光傳感器獲取墻面三維數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行擬合處理，找到墻面打磨位置坐標[圖5（b）]，再控制機械臂運動到指定位置，然后開啟打磨頭進行打磨作業(yè)。經(jīng)過試驗測試發(fā)現(xiàn)，這款打磨系統(tǒng)在小區(qū)域的打磨效果較好[圖5（c）]，精度基本保持在1mm內(nèi)，但從整個墻面打磨效果來看：其打磨的精度和穩(wěn)定性還有待提高。墻面打精度是評判墻地面打磨機器人施工質(zhì)量的重要參數(shù)，主要受到執(zhí)行裝置的動作與壓力、墻面檢測的精度、移動機構(gòu)的運動精度等因素影響，其中，執(zhí)行裝置作為與墻面直接接觸的裝置，其運動控制決定著打磨作業(yè)的精度。Zhou 等[27]針對執(zhí)行裝置的運動控制，提出了一種基于圖像視覺的阻抗算法模型，用于調(diào)節(jié)執(zhí)行裝置的作用力和動作兩者的動態(tài)關(guān)系［圖６（ａ）］。執(zhí)行裝置的動作由視覺系統(tǒng)進行實時反饋，而反饋的圖像信息經(jīng)阻抗算法模型處理后得到非奇異和解耦的圖像雅可比矩陣，確保了大位移場景下打磨的穩(wěn)定性和精度。在實際測試中發(fā)現(xiàn)，隨著控制循環(huán)的進行，該模型的圖像特征誤差、力誤差以及阻抗誤差基本收斂到０，而且機器人打磨效果較好，說明這種算法模型具有明顯的優(yōu)勢［圖６（ｂ）、（ｃ）］。因此，優(yōu)化相關(guān)算法模型和引入高精度傳感器是提升墻面打磨機器人作業(yè)精度和穩(wěn)定性的主要措施。

2.2.2 噴涂機器人

噴涂施工為裝修工程的常見工序，包括室內(nèi)噴涂、外墻噴涂、地坪涂覆等工序，這些工序在中國基本還停留在人工作業(yè)階段。傳統(tǒng)噴涂施工主要存在以下缺點：①外墻噴涂工序?qū)儆诟呖兆鳂I(yè)，存在嚴重的安全隱患；②涂料含有毒物質(zhì)，對工人有致癌作用；③工人的技術(shù)水平會影響涂層的質(zhì)量；④傳統(tǒng)手工噴涂效率低[25-28]。可見，噴涂施工的自動化亟需解決。

在工業(yè)中，噴涂機器人被廣泛應(yīng)用于汽車、輪船等行業(yè)，常見的移動方式有導(dǎo)軌式、爬壁式和移動式等[29]。對于建筑室內(nèi)環(huán)境，移動式噴涂機器人工作自由度較高，能靈活應(yīng)對多種復(fù)雜作業(yè)對象，具有較強的適應(yīng)性，因此備受推崇。目前研究中，室內(nèi)移動噴涂機器人經(jīng)典結(jié)構(gòu)為“6+3+1”自由度結(jié)構(gòu)，其具體結(jié)構(gòu)包含6自由度機械臂、1自由度升降臺和3自由度移動平臺，該種結(jié)構(gòu)機器人能實現(xiàn)對室內(nèi)壁面的全覆蓋噴涂作業(yè)，工作場景包括商品房、廠房和倉庫等[29-30]。2018年 Asadi 等[30]根據(jù)這種經(jīng)典結(jié)構(gòu)研發(fā)了一款人機協(xié)作室內(nèi)噴涂機器人 Pictobot，如圖 7（a）所示，其包含移動底盤、無氣噴涂系統(tǒng)、自抬升結(jié)構(gòu)（最大抬升高度10m）、機械臂和噴頭裝置六大部件。操作工人的感知和判斷作為上層規(guī)劃負責(zé)設(shè)置噴涂的參數(shù)（壓力、厚度等），通過遠程操作遙控變換機器人的工作站點，以應(yīng)對變化的工作環(huán)境，并且負責(zé)開展墻壁低處及邊角的噴涂作業(yè)。噴涂機器人負責(zé)在壁面高處進行噴涂作業(yè)，以減輕工人的攀爬、彎腰等繁重工作，并借助傳感器裝置，重建施工場景和分析墻面的3D特征，進而自動控制抬升機構(gòu)的高度和規(guī)劃噴槍機械的運動[圖7（b）]。在人機協(xié)作的條件下[圖7（c）]，該款自動化機器人相比于傳統(tǒng)工藝的優(yōu)勢包括優(yōu)異的噴涂效率（提升 50%）、均勻一致的涂層、節(jié)約人工成本和更高的安全性等（表2）?？梢?，“6+3+1”自由度結(jié)構(gòu)機器人施工具有明顯的優(yōu)勢，但仍需工人配合施工，其自主化施工的程度需進一步提升。

與室內(nèi)噴涂工序相比，外墻噴涂更具危險性。傳統(tǒng)外墻噴涂作業(yè)一般采用吊板或吊籃方式，這兩種方式都沒有可靠的安全保障，存在高空墜落的風(fēng)險[28]。因此，研究一款無人化施工的外墻噴涂機器人具有顯著的意義。由于戶外高空作業(yè)的特殊場景，外墻噴涂機器人在穩(wěn)定性、安全性和可靠性方面的性能要求更高[31]。為了實現(xiàn)高效穩(wěn)定作業(yè)，外墻噴涂機器人需具備外墻吸附和自由移動的功能，常見的結(jié)構(gòu)設(shè)計為吸附式結(jié)構(gòu)和懸掛式結(jié)構(gòu)[31]。2016年合肥工業(yè)大學(xué)彭輝等[28]設(shè)計了一款懸臂架固定的外墻噴涂機器人，如圖8（a）所示，包含懸臂架結(jié)構(gòu)、軌道結(jié)構(gòu)、噴涂機器人移動本體、吸附足和鋼絲繩等組件。機器人通過固定在“女兒墻”懸臂架上的鋼絲繩實現(xiàn)垂直移動，借助4個吸附足的吸附作用進行固定作業(yè)，當完成一個豎直面噴涂時，再通過軌道裝置移動懸臂架進行下一個豎直面的作業(yè)。由于需要覆蓋一定的作業(yè)面，機器人本體的噴槍組會搭載在數(shù)控移動滑臺上，實現(xiàn)水平移動作業(yè)[圖8（b）]。此外，機器人窗戶探測裝置可判別窗戶位置，進而控制噴槍的開關(guān)，以避免污染窗戶及浪費涂料，而且工人也可以通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)實時觀察噴涂情況，防止意外的發(fā)生。

2019年電子科技大學(xué)朱暉[31]針對懸掛式外墻噴涂機器人做了進一步的改進研究[圖9（a）]，該機器人系統(tǒng)包含懸掛系統(tǒng)、機器人本體、噴涂系統(tǒng)和穩(wěn)定調(diào)節(jié)系統(tǒng)四部分。懸掛系統(tǒng)由2個與吊籃適配的懸掛機構(gòu)組成，承載量高達800kg，每個懸掛機構(gòu)引出3根鋼繩，分別為承重繩、安全繩和穩(wěn)定繩[圖9（b）]；機器人本體包括垂直提升裝置、雙噴槍裝置、水平移動機構(gòu)和狀態(tài)檢測裝置[圖9（c）]，提升裝置的驅(qū)動輪與承重繩的咬合實現(xiàn)了機器人本體的升降，雙噴槍裝置通過齒輪齒條移動機構(gòu)可實現(xiàn)10m寬度的大噴涂范圍，這樣可省去懸掛機構(gòu)在水平方向的移動；在穩(wěn)定調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，由于張力機的作用，傾斜的穩(wěn)定繩會對機器人本體產(chǎn)生一個水平方向的拉力[圖9（d），其中F1為上穩(wěn)定繩拉力，F(xiàn)2為下穩(wěn)定繩拉力，F(xiàn)3為上靠墻腿推力，F(xiàn)4為下靠墻腿推力，G為機器人本體重力，m為機器人本體質(zhì)心：H為機器人高度，α為上穩(wěn)定繩與墻面的夾角，β為下穩(wěn)定繩與墻面的夾角]，使得機器人在爬升過程中能穩(wěn)定升降，而安全繩與機器人本體上的安全鎖相連，能防止機器人因失速、傾斜產(chǎn)生的墜落。從上述研發(fā)案例可知，懸掛式外墻噴涂機器人結(jié)構(gòu)較為簡單，具有極大的商用潛力，但由于結(jié)構(gòu)特征的限制，機器人只能在垂直墻面作業(yè)，不能到達墻體陰角、凸起結(jié)構(gòu)等區(qū)域，而且容易受到樓棟戶型的影響，導(dǎo)致懸架機構(gòu)無法架設(shè)等問題。因此，提升外墻噴涂機器人的作業(yè)覆蓋率和實用性是后續(xù)主要的研究方向。

2.2.3 瓷磚鋪貼機器人

瓷磚鋪貼在裝修施工中需求量大，質(zhì)量要求高且需專業(yè)人員施工，但傳統(tǒng)手工鋪貼存在施工周期長、勞動量大和工作效率低等問題，而瓷磚鋪貼機器人不但能減少勞動力，還能通過自動化施工保證鋪貼的效率和質(zhì)量，因此受到廣泛的研究[32]。

復(fù)雜的鋪貼環(huán)境對機器人的設(shè)計、控制和運行提出了苛刻的要求。為了適應(yīng)鋪貼的環(huán)境和滿足鋪貼的功能，機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計顯得尤為關(guān)鍵。瓷磚的定位技術(shù)能準確檢測瓷磚的位置，從而提高鋪貼的質(zhì)量。此外，機器人鋪貼過程的軌跡規(guī)劃能降低鋪貼作業(yè)的時間，有利于進一步提升工作效率[32]。因此，瓷磚鋪貼機器人的發(fā)展離不開上述關(guān)鍵技術(shù)的研究。2014年，新加坡未來城市實驗室聯(lián)合蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院開發(fā)了一款包含六軸機械臂、吸盤抓取裝置和紅外定位儀器等部件的地磚鋪貼機器人MRT[圖10（a）]，該機器人不但能節(jié)省人力，還能精確計算鋪貼位置，保證鋪貼質(zhì)量，目前已進入商業(yè)化應(yīng)用階段[33]。中國瓷磚鋪貼機器人的研發(fā)基本是參考MRT機器人原型，例如：2020年南京航天大學(xué)設(shè)計了一款地磚鋪設(shè)機器人系統(tǒng)，包含移動平臺、抓取系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)[圖10（b）][34]。其中移動平臺為基于 Mecanum 輪的全向移動平臺，具有優(yōu)異的機動性和靈活性，能滿足作業(yè)環(huán)境和作業(yè)任務(wù)的需求；抓取系統(tǒng)包含六軸機械臂、真空吸盤組件和視覺激光傳感器[圖10（c）]，不但能實現(xiàn)靈活抓取和鋪設(shè)瓷磚，還能精確檢測已鋪貼瓷磚的位姿，從而達到施工規(guī)范的要求；導(dǎo)航系統(tǒng)通過激光雷達傳感器獲取環(huán)境信息，構(gòu)建2D和3D地圖模型，并使用改進的蟻群算法進行路徑規(guī)劃，確保了機器人快速穩(wěn)定作業(yè)。經(jīng)過仿真分析發(fā)現(xiàn)，地磚鋪貼機器人可以順利完成鋪貼工作，滿足實際功能需求[圖10（d）]。然而，目前市面上鋪貼機器人的使用率較低，主要存在研發(fā)成本高、適用瓷磚尺寸單一和控制復(fù)雜等問題[35]。因此，瓷磚鋪貼機器人的研發(fā)設(shè)計應(yīng)充分考慮實用性和研發(fā)成本。

2.3其他新型施工機器人系統(tǒng)

上述機器人主要是針對特定的現(xiàn)場施工工序進行作業(yè)，除此之外，建筑機器人還包含一些與施工作業(yè)密切相關(guān)的新型機器人系統(tǒng)，如用于混凝土打印的 3D打印機器人、用于建筑測量的智能化測量機器人等，本節(jié)主要針對這兩類代表性的新型建筑施工機器人研究現(xiàn)狀展開介紹。

2.3.1 3D 打印機器人

3D 建筑打印屬于新型的數(shù)字建造技術(shù)，在建造過程中不需要復(fù)雜的模板系統(tǒng)，直接依據(jù)建筑三維模型驅(qū)動打印機器人建造出相應(yīng)的建筑構(gòu)件，這種技術(shù)具有速度快、成本低和節(jié)省勞動力等優(yōu)勢[36]。由于混凝土材料的廣泛使用，3D混凝土打印成為研究熱度極高的 3D建筑打印技術(shù)，也取得了突破性的研究進展，其研究領(lǐng)域包括機械結(jié)構(gòu)領(lǐng)域、材料領(lǐng)域和工藝領(lǐng)域等[37]，其中，3D混凝土打印機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與打印質(zhì)量息息相關(guān)，是實現(xiàn)打印功能的重要載體[36-37]。2004 年 Khoshnevis[38] 設(shè)計了一款包含大型三維擠出裝置（類似龍門吊車）和抹刀噴嘴組合機構(gòu)的“輪廓工藝”打印機器人[圖 11（a）]，打印機構(gòu)懸掛在建筑物上方，通過軌道裝置和伸縮臂控制噴嘴的移動，實現(xiàn)精確的打印定位，該款機器人的工作效率達到12m/h，材料使用量減少了25%~30%，工人數(shù)量降低了 45%~55%。為了進一步提升打印機器人的靈活性，Bosscher 等[39]提出了一款帶纜索系統(tǒng)的“輪廓工藝”打印機器人[11（b）]，通過纜索控制噴嘴的移動，并用輕質(zhì)的剛性框架取代笨重的龍門框架，讓現(xiàn)場打印施工更加簡便、實用。以上打印機器人都是基于框架結(jié)構(gòu)，機器人打印范圍受限，只適用于小區(qū)域建筑的打印。基于多機協(xié)作的移動式 Minibuilders 系統(tǒng)的研發(fā)能實現(xiàn)整棟建筑物的建造[圖11（c）]。該系統(tǒng)包含3款機器人，它們吸附在建筑物上，根據(jù)控制器下發(fā)的指令分別完成地基、墻體和墻體平整任務(wù)，從而實現(xiàn)多尺度建筑物的打印，但此系統(tǒng)控制復(fù)雜、成本高且精度難以保證[40]。此外，材料領(lǐng)域的研究主要為材料的成分優(yōu)化，如引人纖維增強混凝土、磷酸鹽水泥和納米黏土水泥等材料，以增強打印材料的密度和強度。為了提高打印的質(zhì)量和效率，研究者也在工藝領(lǐng)域做了一定的研究，包含打印路徑的優(yōu)化、打印構(gòu)件的精細化等[37]。經(jīng)過近 20年的發(fā)展，3D 混凝土打印機器人已經(jīng)逐漸走向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，如迪拜辦公樓、美國星級酒店和荷蘭混凝土橋梁等建筑的建造，未來將繼續(xù)朝著輕量化、智能化和低成本方向發(fā)展[41]。

2.3.2 建筑測量機器人

建筑實測實量是提升房屋質(zhì)量的關(guān)鍵工序，工作量大，且工作進度緊迫。傳統(tǒng)手工測量主要借助靠尺、寒尺、方尺和掃平儀等工具，對規(guī)范要求的點，線位置進行測量，再通過人工記錄和比對完成測量任務(wù)，因此存在效率低、人為因素影響大和數(shù)據(jù)整理調(diào)用繁瑣等弊端[42]。為了優(yōu)化實測實量工序，自動化實測實量技術(shù)受到廣泛研究。新型的建筑測量機器人利用三維激光掃描技術(shù)，由激光測距系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng)組成，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、運算、繪圖制表和評分的全自動化，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢[42]。在開展測量工作時，測量機器人的工作步驟包含：①按照預(yù)先計劃的站點位置，逐站進行掃描獲取點云數(shù)據(jù)；②把獨立的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)人專用軟件進行預(yù)處理和拼接，得到整體的點云數(shù)據(jù)模型；③專用軟件從模型里提取垂直度、平整度等幾何信息，并與BIM 模型比對，自動生成報表，完成實測實量任務(wù)（圖 12）[43]。為了證明測量機器人的優(yōu)勢，中建二局分別采用自動化測量和手工測量方法對沈陽某工程進行實測實量，并對比兩者的測量效果。測試結(jié)果顯示，相比于手工測量，測量機器人精度達到±1mm，高于手工測量的±3 mm 精度，測量效率提升 5倍，測量人數(shù)減少 66%，成本降低 50%，而且省去復(fù)測、復(fù)檢和數(shù)據(jù)整理等環(huán)節(jié)，可見與手工測量方法相比，自動化測量方法更優(yōu)異[44]。然而，在測量機器人使用中，發(fā)現(xiàn)以下問題[43]：復(fù)雜結(jié)構(gòu)及障礙物導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失、現(xiàn)場人員活動范圍受限和設(shè)備成本過高等，這些問題導(dǎo)致測量機器人難以推廣應(yīng)用，亟需解決。