目前，我国建筑业仍是劳动密集型产业，现场作业仍由大量工人完成。随着时代发展，建筑工地劳务人员缺失、专业素质低下、用人成本逐年增加已成为建筑业施工单位的痛点。因此，机器人技术在建筑业的应用成为当务之急。机器人的施工优势主要有以下方面。

　　 机器人可以保证施工准确性，规避建设过程中的人为错误，既适用于施工现场工作，又适用于整个过程的调度和计划。

　　 引入机器人到施工过程中，确保了施工人员更舒适的工作状态，在更长的时间内保持更好的状态。机器人可以负责繁重的体力劳动，让现场人员监督整个项目。

　　 建筑智能化将吸引更多想跟随新技术发展的年轻人。年轻力量的涌入将为解决目前建筑业面临的劳动力短缺问题提供可能。

　　 机器人不仅可以更快速地执行任务，还可以执行更高精度的任务，建造出更持久稳定的建筑结构。机器人可在未来提供更长规划寿命期的建筑解决方案。

　　 施工过程的自动化可使得工期定量化，通过不断提升机器人自动化效率，可不断对工期进行优化，同时减少不确定因素对工期的影响。

　　 建筑机器人作为一个具有极大发展潜力的新兴技术，有望实现“更安全、更高效、更绿色、更智能”的信息化营建，实现整个建筑业的跨越式发展。智能建造机器人的研发涉及许多技术难点。在国内仍处于空白阶段，无先例可参考。本文所述机器人以工业机械臂为主，借以探索建筑行业的机器人解决方案。

　　 智能建造机器人的研发过程遵循科学且可行的研发路径，其研发涉及工业机器人应用开发、自动化设备编程、嵌入式软件设计等多项机器人技术。

　　 本文所述机器人由ABB工业机械臂和军工级履带式底盘2大模块构成。ABB工业机械臂用来完成轻钢龙骨隔墙的装配任务，军工级履带式底盘负责带动机械臂在复杂的建筑环境中移动作业。通过参数化编程的方式降低现场调试难度。

　　 机器人在研发过程中分为机械、电路、程序3大部分。机械部分负责保证机器人的结构稳定性能，电路则负责给机器人各模块提供稳定的供电系统，程序负责联动机器人的各部分，配合安装在机器人上的各种传感器，将机器人真正驱动起来。

　　 机器人研发过程遵循科学的试验方法，通过将大任务拆分成多项小任务的方式寻找解决方案。对于物料搬运的过程，采用了夹取、吸取等多种方式进行理论计算与小规模试验，制定出机械结构方面的可靠的解决方案。在电路布线方面，大量采用工业级电缆，保障了机器人的稳定性。软件设计采用模块化、参数化的设计思想，将功能层层封装，便于后续功能的开发及拓展。

　　 研发初期，采用在底盘上加装超声波传感器的方案来实现避障功能。而超声波传感器检测范围小，发送端的声波频率一致导致多传感器信号相互冲突，获得的数据具有很大的不确定性，因此该方案最终被否决。激光雷达作为无人车及各类自动化机器人必备的传感器，具有厘米级精度，可以做到360°范围扫描并生成距离点云，因此最终选用激光雷达作为避障系统用传感器，取得了预期效果。

　　 该前端工具由气缸、电动螺丝刀、自动送钉器等工具组合而成，集抓取龙骨、石膏板和打钉3项功能于一体，可在不更换工具的前提下完成轻钢龙骨隔墙装配的整套动作。第1版工具采用铝型材作为框架，部分异形加工件作为组合零件。第2版工具采用3mm厚铝板作为框架，在保证功能完善的前提下优化了布线及重量。在后续的测试中，该工具工作稳定，执行效率高，机械故障率低，整体性能较为良好。新旧前端工具对比如图1所示。

　　 为了让机器人适应复杂多样的工作环境，机械臂控制程序采用相对位置坐标的思想编写而成。机器人到达一个全新的工作环境后，只需对当前环境下的工装台位置进行简易标定即可由程序自动推算出目标位置。该调试程序以插件的形式安装在Rhino软件内，可在软件内部进行参数修改及三维仿真模拟。该程序还带有机器人程序下载功能，模拟仿真通过后即可将机器人程序通过网线由PC端下载至机器人控制柜中。该软件大大缩短了机器人的现场调试时间，并且提高了机器人开发过程中的安全性。

　　 机器人平台自动调平系统利用工业级九轴陀螺仪反馈机器人平台与水平面的夹角，通过自主研发的自动调平算法，调整电缸伸出长度，不断降低平台与水平面的夹角，最终将平台稳定在水平面位置附近。电缸的控制采用了工业级CANopen通信总线协议。该协议安全可靠，广泛用于工业控制领域，传输数据使用网线将单片机与电缸驱动器连接。由于该协议一般集成于PLC系统上，很少使用嵌入式单片机作为控制端，没有资料可供参考。研发人员通过查表，测试信号，并咨询了相关专业人士，从底层开发了电缸的驱动代码，并成功使用单片机驱动电缸。

　　 智能建造机器人由军工级履带式底盘、纳米级电缸驱动调平系统和数字化六轴机械臂组成，通过搭载中建科技自主研发的机器人前端工具，配合自主研发的各类工装架，进行建筑的施工作业。智能建造机器人目前可全自动地完成轻钢龙骨隔墙的装配工序，并且还可以完成码砖、室内铺地板、建筑异形墙面建造等工作。

　　 轻钢龙骨隔墙主要由3部分零件组成:纸面石膏板、C形轻钢龙骨和自攻螺钉。通过自攻螺钉将纸面石膏板与C形轻钢龙骨固定组成隔墙。机器人在进行装配工作时，将装配过程拆分为3道主要工序:(1)夹取C形轻钢龙骨并放至指定位置;(2)吸取纸面石膏板并放至指定位置;(3)使用自动打钉装置进行打钉，固定纸面石膏板与C形轻钢龙骨。实施步骤如图2所示。具体装配步骤如图3所示。

　　 机器人的作业程序采用数字化编程软件RobotStudio编写。该软件具有数字化模拟仿真的功能，以保证机器人现场作业的准确性和安全性。图4为RobotStudio编写的轻钢龙骨自动装配机器人仿真画面。

　　 机器人地板铺设作业是基于装配式轻钢龙骨隔墙的前端工具而研发的拓展功能之一，主要利用了木质地板表面光滑、易吸取的特性。使用前端工具中的吸盘，从工装架上吸取地板，铺至预设好的指定区域(见图5)。由于机器人搭载在履带式底盘上，当铺设完成一定区域后，机器人可移动至另一工作区域再进行作业。

　　 利用机械臂较高的重复精度，可轻松实现不同形状、分布的异形墙面建造工作。由于异形墙面无通用的形状设计规范，在机器人程序编写方面采用了多参数化的程序设计。通过修改相关参数，即可实现不同形状的异形墙面建造(见图6)。

　　 智能建造机器人的工作环境为建筑工地现场。由于现场环境复杂，尤其是地面凹凸不平，想要保证工作质量，需给机械臂创造稳定的工作平面。机器人底盘四角均安装了工业用纳米级精度电缸(见图7a)，每个电缸可承受2 500kN负载。由工业级九轴陀螺仪(见图7b)与电缸组成机器人平台自动调平系统，可确保工业机械臂底座所处平面在工作时保持与水平面平行。

　　 考虑到机器人本体体积大，质量较大，为保证现场人员人身安全，机器人本体搭载了由激光雷达构成的避障系统。通过在机器人头部及尾部安装激光雷达，可有效检测到检测范围内障碍物与机器人底盘的相对距离。在距离较近时发出报警，并控制机器人底盘制动，防止伤人、伤物事故。

　　 智能建造机器人经过持续1年的研发，可完成机器人装配轻钢龙骨隔墙的整套工序，并完成异形墙面建造、地板铺设等作业工序。该机器人在坪山高新区综合服务中心项目精装修样板房中得以应用，轻钢龙骨隔墙安装施工速度快，未出现精度错误，质量可靠。

　　 机器人技术在建筑行业仍处于较为空白的阶段。对于目前的智能建造机器人，还可在应用层面寻找其他突破口。在升级探索方面，倾向于将建筑工地上的可重复性强且作业方式简单的工作使用自动化的方式实现，以达到机器人替代人力工作的目的。利用工业机器人作业精度高、稳定性强的特点，可有效提高现场作业效率和精度。