关于建筑机器人的研究

马 宏 侯满哲 郭全花 王月亭

(河北建筑工程学院,河北 张家口 075000)

关于建筑机器人的研究

马 宏 侯满哲 郭全花 王月亭

(河北建筑工程学院,河北 张家口 075000)

介绍了国内外建筑机器人的发展现状，分析了国内建筑机器人发展的前景.在分析研究了国外建筑机器人商业化发展的基础上，提出了国内建筑机器人发展的商业模式和技术模式.最后总结了建筑类高校发展建筑机器人的优势.

建筑机器人;建筑工程;特种机器人

0 前 言

当今，建筑业产值逐年递增，同时又面临着事故多发、劳动力缺乏、施工标准一致性差、劳动力成本不断增加的压力.与此同时机器人技术有了长足的发展，以机器人技术为核心的各种装备越来越多，在各个行业引领着技术发展的新方向.将机器人技术引进到建筑业，形成具有专业建筑功能的建筑机器人，是解决建筑业诸多问题的有效途径之一.但目前国内的建筑机器人大多没有形成产业化的规模.本文研究了国内外建筑机器人的发展及其商业化的形式，提出了建筑机器人发展的技术模式和商业模式，并指出建筑类高校发展建筑机器人的优势.

1 国内外研究现状

关于建筑机器人的研究起源于日本，1982年，日本清水公司的一台名为SSR-1的耐火材料喷涂机器人被成功用于施工现场，被认为是世界上首台用于建筑施工的建筑机器人[1].之后，越来越多的建筑机器人不断问世.美国军方的John Deeve 690C掘进机被用来修复爆炸毁坏的跑道；麻省理工学院的trackbot和studbot被用于墙体内部建设[2]；日本清水公司的多功能行走车(MTV-1)可以修平和磨光砼楼板表面，并且能够自动躲避墙壁和立柱；外墙喷涂机器人可以进行外墙中间层以及保护层的自动喷涂，作业效率是人工的5倍；日本鹿岛建设株式会社的隧道钻探机可以进行钻探、鼓风、清理以及混凝土的喷浆作业；放射性砼切割机器人被用来进行核电站水泥柱的拆除作业[3]；卡耐基·梅隆大学的机器人挖掘机(REX)可以通过不接触物料的方式挖掘城市埋在地下的公共设施管道，进而保证管道不被破坏；鹿岛建设株式会社的瓷砖检测机器人能够自动敲击瓷砖并分析所产生的声音同时记录瓷砖的位置信息最终判断瓷砖的粘接强度.除了日本和美国在进行建筑机器人研究之外，法国、德国、英国、以色列、荷兰、芬兰、丹麦、新加坡等国家也在进行相关领域的研究[2].如法国的国立机器人人工智能研究所(IIRIAM)和建筑科学技术中心(CSTB)；英国的布里斯托尔工科大学、诺丁汉大学、兰开斯特大学等；德国的斯图加特大学附属生产自动化研究所(IPA)；以色列的工科大学建筑研究所等.

我国在建筑机器人领域的研究起步较晚，目前主要集中在大学和一部分研究所，多数也是机器人相关领域的团队在研究.如哈尔滨工业大学研究的遥控壁面爬行机器人，可以完成建筑物或者大型容器的壁面喷涂和检查[4].山东矿业大学研究出一种煤矿井下喷浆机器人，可以实现自动、均匀的高效作业.河北工业大学研究开发了一种室内板材安装机器人，可以实现竖立面上大理石板材自动高效的干挂安装[5].

目前建筑机器人根据其主体功能分为、检查机器人、清洁机器人、极限环境作业机器人.表1列举了部分国外建筑机器人的相关信息.表2列举了部分国内建筑机器人的相关信息.

表1 部分国外建筑机器人简介

表2 部分国内建筑机器人简介

2 建筑机器人的未来前景

随着社会经济的发展，城市建设和大型建筑的发展，建筑业的产值在不断增长，2009-2013年，我国建筑业总产值年复合增长率达20.01%，2014年全国建筑业总产值17.67万亿元，同比增长10.92%(数据来源与国家统计局).伴随着我国城市化的进程，建筑业的产值将进一步增加.但是建筑业的发展也有着诸多的不利因素，建筑施工是典型的劳动密集型行业，是仅次于煤炭采掘的高危行业.2010年全国共发生房屋市政工程生产安全事故627起、死亡772.人高处坠落事故297起，占总数的47.37%，坍塌事故93起，占总数的14.83%(本数据来源于中华人民共和国住房和城乡建设部).又如2014年12月29日，北京清华附中建工地发生脚手架坍塌事故造成10人死亡、4人受伤.另外由于建筑工人的工作环境比较艰苦，使得很多年轻人不愿意从事这类工作，进而出现了建筑行业工人短缺，有技术的工人更短缺的局面.事故多发，工作环境恶略，劳动力短缺，生产效率低，质量标准低是我国建筑行业普遍存在的问题.

解决这些问题的一个有效途径就是实现建筑行业的机器人化.高度智能化的机器人用于建筑行业可以很轻松的将人类的活动范围深入到各种恶劣的环境中，如核辐射区域，高温高压高空环境，深水或者化学等极限环境.并在这些环境中完成高质量、高效率、高标准的作业.目前机器人技术已经相对成熟，其相关的产业群也在迅速发展，将机器人领域成熟的技术应用到建筑施工中，形成各种各样的具有专业建筑功能建筑机器人，将有效的解决我国目前建筑业存在的这些问题.

3 建筑机器人的发展模式

3.1 建筑机器人发展的商业模式

建筑机器人是实现建筑行业自动化的设备，它的商业模式应当是建筑行业的市场需求为主导，机器人技术为支撑.机器人给用户带来的经济价值V，可以通过下面的公式获得：

V=(KL-M-O-T+αP)rp(i，n)

式中

P为机器人初期投资；

L为每年每个被代替的工人人力成本；

K为被取代的供热的数量；

M为每年机器人的维护费用；

O为机器人每年的运转费用；

T为每年机器人的运输费用；

α为减税率(10%)；

i为利率(10%)；

n为机器人的使用寿命(10年)；

rp(i，n)=[(1+i)n-1]/i(1+i)n指的是利率为i的n个连续年支付的现值系数[2].

对于建筑机器人，它的上述数据是多少？首先是根据实际的施工要求而制定的，机器人技术只是实现这个要求的一种手段.目前，我国建筑机器人的发展模式大多是机器人领域的专家根据机器人技术的成熟度提出具有某种建筑相关功能的机器人，并没有形成成熟的产业模式.大多数的建筑机器人都是有由机器人方面的专家在国家的数额不大资金支持下完成的，只是作为特种机器人的一个分支进行的研究开发.这也是我国的建筑机器人在走向产业化的道路的主要障碍之一.而在建筑机器人发展比较成熟的日本，以清水和鹿岛两家建筑株式会社的建筑机器人为代表，由于两家会社的主要业务都在建筑行业，所以他们在发展建筑机器人有着很准确的市场把控，他们的建筑机器人SSR系列和MTV系列很好的走向了产业化和商业.

3.2 建筑机器人发展的技术模式

建筑机器人技术的发展应当以建筑施工工艺为主导，以机器人技术为辅助实现手段.我国目前的建筑机器人发展大多是以精通机器人技术的专家为主导，仅仅以实现建筑相关功能为试验目标.这种模式往往由于机器人专家的建筑施工经验不足，对建筑施工现场的施工恶劣条件考虑不充分，对建筑工艺的了解不够深入等因素导致研制出来的机器人仅仅在实验室有着稳定的表现，在施工现场的表现却难以让人满意.最终开发研究出来的建筑机器人就作为一件技术展示作品陈列在了实验室，该款建筑机器人产业化和商业化的进程也就此停滞.

到目前，我国建筑机器人产业发展的并不是很成熟，甚至关于建筑机器人的研究机构都很少.为数不多的研究成果大多停留在实验室阶段，没有能够进行产业化发展.

4 建筑类高校发展建筑机器人的优势

4.1 人力资源优势

作为建筑类高校，拥有大量建筑行业的专家、学者，这些人员又有着多年的教学，科研和实践的经验.对于建筑施工技术、工艺等方面有着极为深厚的积淀.另外与建筑类企业相比没有建设进度等硬性施工任务，其科研人员可以更加专心的去进行科研工作，同时高校的科研人员对于行业最近技术的掌握程度更高一下.与专业的研究所相比高校的人力资源更具有多行业的融合性，口径更宽.而建筑机器人的产业化和商业化恰恰最需要多行业的融合.

4.2 “产、学、研”结合的优势

多年来，数以万计的毕业生遍布建筑行业的各个角落，他们都是建筑圈里的业内人士，都有着多年的工作经验，对建筑行业有着最详尽的了解，在建筑机器人研究方向细化、研究重点、特殊工艺工程、成果转化、产学研结合方面有着不可替代的优势.是保障建筑机器人商业模式和技术模式的重要资源.

4.3 硬件优势

建筑类高校往往历史悠久，多年来学校在设备，资质，实验室，行业标准等方面拥有着得天独厚的优势，些资源在建筑机器人发展的过程中将起到不可替代的作用.这些资源的充分利用将会使建筑机器人的研究开发工作事半功倍.

4.4 人文环境优势

高校相对宽松的人文环境，在技术交流，成果展示方面不像企业里高度保密，而在知识产权保护、科研成果、论文发表等方面较企业更为专业.这些都为建筑机器人的发展提供了丰厚的土壤.

4.5 空间优势

目前建筑机器人在国内刚刚起步，为数不多的成果也大多停留在试验时间段，其中绝大多数都是由机器人领域的专家主导的“水土不服”的建筑机器人，真真做到商业化的成果极少.特别是建筑行业自动化施工的行业标准大多都处于空白阶段.随着社会的发展，建筑工人老龄化，年轻人不愿意从事该项工作等因素，建筑机器人的“用武之地”将大为广阔.

5 结 论

本文在分析研究了国内外建筑机器人发展现状的基础上，提出了建筑机器人发展的技术模式和技术模式.建筑机器人进行商业化发展的必由之路之一就是以“建筑”主导，以机器人技术为实现手段.由建筑施工工艺等因素主导其发展方向及其市场定位，通过成熟的机器人技术将其实现，并最终走向产业化、商业化的道路.最后，本文还分析了建筑类高校发展建筑机器人的若干优势.

[1]王桂凤.机器人在建筑业中的应用[J].河南科技月刊,1991,(6):22～23

[2]刘海波,武学民.国外建筑业的机器人化──国外建筑机器人发展概述[J].机器人,1994,16:119～128

[3]吴成东,刘国怀,陈莉.建筑机器人技术的研究进展[J].建筑机械化.1998,3:10～13

[4]吴善强.低噪声负压吸附爬壁机器人系统的研究.;哈尔滨工业大学博士论文

[5]杨冬.幕墙安装建筑机器人系统关键技术研究[D].河北工业大学,2013

[6]孙伟,于永璋.几种建筑机器人概介[J].建筑机械化.1990,(06):22～24

[7]ZHONGDenghua,LIUJianmin,FUJinqiang,XIONGKaizhi.ConstructionScheduleSimulationandItsApplicationtoHydrojunctionsofWaterDiversionProjectBasedon4DCAD[J].AsianSimulationConference/The6thInternationalconferenceonsystemSimulationandScientificComputing.2005,400～405

[8]Young,Jun.VisionandPolicyonKorea‘sRobotIndustry.The4～(th)China-Korea-JapanJointWorkshoponRobotics.

[9]Y.Morita,H.UkaiandH.Kando.“Robusttrajectorytrackingcontrolofelasticrobotmanipulators.J.1997,(119):727～735

Research on Construction Robot

MAHong,HOUMan-zhe,GUOQuan-hua,WANGYue-ting

(Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering,Zhangjiakou,Hebei 075000)

In this paper,the development status of the construction robot at home and abroad is introduced,and the developing prospect of the domestic construction robot is analyzed.On the basis of the commercial development of the foreign construction robot,the commercial pattern and technology mode of the construction robot development are analyzed.At last,the advantages of developing construction robot in architecture colleges are summarized.

construction robot;construction engineering;special robot

2015-03-12

马宏(1987-)，男，助教，主要研究方向：建筑机器人.

TH 12

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