建筑机器人研究现状与展望

西安建筑科技大学信控学院 于军琪雷小康

西安交通大学电信学院 曹建福2

建筑机器人研究现状与展望

西安建筑科技大学信控学院 于军琪1雷小康3

西安交通大学电信学院 曹建福2

1　引 言

在人类所有工程实践活动中，建筑业历史最为久远——当人类先祖尚未成“人”时，它们便已开始了各种各样以“遮风雨、避寒暑”为目的的营建实践。建筑施工形态不仅与人类的生产、生活休戚相关，同时也承载了厚重文明印记和文化特色。然而，一个无法回避的现实是，近百年来，虽然自然科学与工程技术领域的革新不断，建筑本身的形态和功能也与以前大为不同，但建筑施工的业态形式却始终没有出现显著的变化。如果我们审视今天的建筑施工形态，诚如百余年前先辈们的营建工作一样，依然被粗放、伤亡、污染、浪费这些与时代主题相悖的业态标签所充斥。相较于制造业、农业、航空航天、交通运输、金融、商贸等其他行业如今所具有的现代化、智能化、信息化、自动化等业态标签，建筑行业的施工、管理与营建方式，远未跟上时代进步与革新的步伐。今天的建筑业比以往任何时候都需要一场变革，这一需求迫在眉睫。

在既有的现代化技术体系中，最有可能承担起建筑业革新重任的便是机器人技术。机器人是近代机电技术与信息技术高度发展的产物，具有强烈的时代符号。过去30年间，随着机器人技术逐步投入应用，很多行业的业态发生了翻天覆地的变化，其中以制造业尤其是汽车制造业最为典型。机器人技术源自人们祈求摆脱“危、繁、脏、重”工作的本能需求，而建筑业几乎集这些弊端于一身——工作强度大、繁复；工作环境差、危险，两者具有极高的契合。由此，便特化出了“建筑机器人”（Construction Robotics）的概念，以期通过机器替代或协助人类的方式，先期达成改善建筑业工作环境、提高工作效率的目的，最终实现建筑物营建的完全自主化。

值得欣喜的是，近年来机器人技术出现了向建筑业渗透的趋势，建筑施工用机器人系统的研发已引起了很多研究机构和高科技公司的关注，出现了一些可完成简单施工工序的初级实验或商用系统。尽管如此，建筑机器人的发展总体上还处于欠发展阶段，对于机器人技术如何与建筑业相结合、建筑业如何适应机器人的介入等基本性问题，目前都还没有形成清晰、统一的发展图景。本文试图通过对现有典型建筑/施工用机器人系统研发动态的梳理和介绍，阐释建筑机器人发展的现状与趋势。藉此，阐明建筑机器人的概念内涵，拓展相关研究的思路，为我国建筑机器人的发展提供参考。

中国自动化学会亦根据建筑业发展新趋势及对机器人的急切需要，成立了建筑机器人专业委员会，希望为解决以上问题，促进行业技术普及与应用发挥重要“桥梁”作用。

2　发展建筑机器人的背景及意义

机器人技术进入建筑业领域是技术及时代发展的必然，由此将催生建筑业的一次革命。归结起来，建筑机器人的提出背景及意义体现在以下几个方面。

第一，建筑机器人是营建效率急需提升的必由之路。在现在的建筑施工中，虽然已有大量机械设备参与，但更多的工序还是有赖于手工作业，导致建造周期绵长，少则数月，多至数年。而采用机器人技术，可使建造效率大获提升。以欧美的标准民居为例，传统人工作业的平均建造周期约为6~9个月，但若采用最新的机器人3D打印技术，建造周期可大幅缩短至1~2天。这意味着遭遇地震、恐怖袭击、泥石流等灾难后，可以快速完成居所重建，保障居民的基本生存条件，这在以往是无法想象的。

第二，建筑机器人是保障施工人员安全、提升工作品质的必然选择。建筑业是公认的高危行业，伤亡率仅列于矿山与交通事故之后。例如在美国，建筑业每年造成约40万人的死伤，已成为严重的社会问题。另外，建筑施工人员的工作条件极差，繁重的操作，充斥着泥浆、粉尘、噪声、震动等工作环境，极大地危害着从业人员的身心健康，导致职业病高发。若要将建筑工人从中解脱出来，就现有技术发展水平来看，机器人技术或是破解这一难题最佳，也可能是唯一的途径。

第三，建筑机器人是人力资源日益短缺的必然选择。随着社会老龄化趋势的不断加速，青壮年劳动力的供给将日益紧缺。加之建筑业所具有的“危、繁、脏、重”属性，若未来建筑业不能成功去除这些不利标签，“重塑”自我形象，势必无法吸引年轻劳动力进入这一行业。以澳大利亚为例，2015年该国泥瓦匠的平均年龄已达55岁，若短期内无法吸引更多的年轻人加入，5~10年之内该国便面临无工可用的尴尬局面。

第四，建筑机器人是构建节约型社会的时代诉求。建筑业属于资源需求极为密集的行业，而传统的手工作业方式又流于粗放，建材使用不能精确控制，导致营建过程的材料浪费极为巨大。据美国有关部门测算，一栋普通民居建造过程的材料浪费率高达40%。此外，老旧建筑的拆除目前还未形成资源化回收的观念，除钢筋等少数金属材料外，其他材料均被作为建筑垃圾填埋，这种资源浪费的规模难以估量。事实上，若采用建筑机器人代替人工施工，通过合理规划和精细化作业，可大幅减少原材料浪费，甚至实现零浪费；利用机器人技术也可以实施老旧建筑材料的回收再利用。这些无形之中将会降低建筑成本，也符合构建节约型社会的时代价值要求。

第五，建筑机器人是实现人与自然和谐发展的有效途径。传统建筑施工均为“侵入式”开发，先开挖破坏原有植被，这一方式对于自然环境的破坏性很大。另一方面，建筑施工期间产生的固体垃圾、废水、有毒有害物化学物质也会对环境产生很大危害。此外，水泥、钢材、玻璃等原材料的生产，对于环境的污染也很大。在倡导环保的时代大背景下，如何实现更具环境友好性的营建开发、减少垃圾及废物排放、提高原材料的利用率，均是时代对于建筑业革新的迫切要求。而以建筑机器人为代表的未来数字化营建技术，有望彻底重塑建筑业的面貌，实现真正的绿色环保、无污染的营建。

最后，从建筑技术的演进与革新的角度出发，机器人技术有望搭建起连接设计概念与实体之间直接沟通的桥梁，使得建筑师的构想能够更为快速地变为现实。正如ETH Zurich的建筑与数字建造专家Gramazio & Kohler所认为的那样：以建筑机器人为代表的数字化建造（Digital fabrication）技术是连接数字世界和物质世界的有力工具，它让在虚拟环境进行的创意和设计，从数字信息进一步变成物质的现实。建筑机器人技术在重复生产上更有效率，也可在非标准建造上实现人手所无法实现的可能性。

今后十多年内，若建筑机器人技术得以大规模投入应用，那这对于建筑业的意义绝不亚于“脱胎换骨”。机器人技术改变的不单是施工方式，而是实施营建的理念。整个建筑业体系——从设计、营造到使用、维护，将因此得到重塑，低效、危险、污染、浪费、劳动力密集等行业标签将成为历史，高效、环保、创意、智能、自动化将成为机器人时代建筑业的新标签。

3　研究现状

世界上最早的建筑机器人诞生于20世纪90年代初期的德国，此后，虽然欧美等发达国家对于建筑机器人的研究从未中断，但遗憾的是这些设备一直未能投入应用。直到近几年，才陆续有一些系统走出实验室，被应用于实际之中。就概念而言，建筑机器人包括“广义”和“狭义”两层含义。广义的建筑机器人囊括了建筑物全生命周期（包括勘测、营建、运营、维护、清拆、保护等）相关的所有机器人设备，涉及面极为广泛，常见的保洁、递送、陪护等服务机器人，以及管道勘察/清洗、消防等特种机器人均可纳入其中。狭义的建筑机器人特指与营建施工作业密切相关的机器人设备，其涵盖面相对较窄但具有显著的工程化特点，典型系统包括墙体砌筑机器人、3D打印营建系统、基坑清理机器人系统等。本节针对狭义的建筑机器人，对目前一些具有代表性的系统加以梳理和介绍。

3.1墙体砌筑机器人

世界上第一台建筑机器人诞生于墙体砌筑方面。1994年，德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）研发了全球首台自动砌墙机器人ROCCO；同期的1996年，斯图加特大学开发了另一型混凝土施工机器人BRONCO。之后，哈佛大学、卡内基梅隆大学等机构也都开展过一些建筑机器人研究。不过，受当时经济及技术条件所限，这些早期砌筑机器人系统均未投入实际使用，但是为后续型号的研究提供了前期的概念和理论铺垫。近年来，随着机器人技术走向成熟，以及劳动力成本的不断起高，砌筑机器人系统的研发重获发展契机，甚至部分系统已投入商业应用。现有的墙体砌筑机器人大多基于工业机械手改装而成，一般具有“移动平台+递送系统+机械臂”的体系结构。典型代表如美国Construction Robotics公司的SAM（semi-automated mason）系统、ETH Zurich研发的In-situ Fabricator系统，以及澳大利亚Fastbrick Robotics公司的Hadrian109砌筑机器人系统（如图1所示）。

SAM100砌筑机器人系统的核心是一具配备夹具的通用工业机械手、一套砖料传递系统以及一套位置反馈系统。机器人采用轨道式移动机构，由于工作轨道需事先人工铺设，故工作范围及灵活性受到一定限制。事实上, SAM100系统的设计初衷并非完全替代工人工作，而在于配合工人提高砌筑作业的效率，故采用了半自主化的工作模式。单台设备可使墙体砌筑效率提高3~5倍，减少工人超过80%的砖料抓举作业。目前，SAM100砌筑机器人系统已投入商用。

In-situ Fabricator是一套用于非确定环境下砌筑作业的全自主机器人系统，其主体由一个汽油机驱动的履带式移动平台顶置一具6轴ABB工业机械臂组成，机械臂前端配置吸盘式抓取装置。该系统通过配置于机械臂前端的2D激光雷达获取环境信息，用于监测砌筑进程、构建工作环境3D模型并实现机器人的自定位。与SAM100系统相比，In-situ Fabricator系统引入了鲁棒与自适应建筑技术，使得该机器人系统具备非标准墙体砌筑能力，并就墙体变化动态调整砌筑过程。与此同时，该系统还集成了移动机器人的自主导航技术，使其能够工作于存在障碍物的复杂施工环境，其自主性和智能化程度得到了提升。In-situ Fabricator系统的砌筑效率约为人工的20倍，不过目前该系统尚处于实验阶段。

上述两种砌筑机器人适用于小范围作业，与此不同，Hadrian109砌筑机器人系统，可以以单体建筑物的尺度开展工作。Hadrian109系统基于履带式挖掘机平台改装而成，配备一具长达28m的两段式伸缩臂，沿臂敷设有砖块递送轨道，其末端配备砖块自动夹取/砌筑装置。该机器人系统可基于CAD 3D模型自主完成建筑物的营建，砌砖速度高达1000块/h，砌筑精度可达0.5mm水平，可在1～2天内建造完成一栋标准民居（约200m2）。该系统将于2016年投入市场，先期将在澳大利亚西部城市哈珀试建商用建筑。

3.2墙/地面施工机器人

众所周知，瓷砖、大理石等墙/地面装饰物的铺贴作业需要耗费大量的人力和时间，而且由于手工操作精度所限，材料的铺设精度与平整度很难保证，尤其是对于大型空间。目前，利用机器人技术实施自主或辅助人工进行瓷砖等的铺设或吊装作业，已成为建筑机器人领域重要的研发主题。

2014年，新加坡未来城市实验室联合ETH Zurich开发了一款名MRT（Mobile Robotic Triling）的地瓷砖铺设机器人（如图2所示）。该系统由一个可自主实施室内导航的移动机器人平台和一具通用机器手组成，机械手末端配置有吸盘抓取装置和混凝土喷口。两套距离传感器安装于机械手末端，分别用于识别邻近瓷砖边际和确定作业空间结构，同时配合以自适应控制算法，保证瓷砖铺设的精度。MRT体积小巧，不仅可用于大型公共空间作业，而且也适用于小型居室的铺设工作。

图1　墙体砌筑机器人

图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863计划的支持下，于2011年研发成功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。该机器人系统面向大尺寸、大质量板材的干挂安装作业，可满足大型场馆、楼宇、火车站与机场等装饰用大理石壁板、玻璃幕墙、天花板等的安装作业需求。C-ROBOT-I由搬运机械手、移动本体、升降台和板材安装机械手组成，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，可保证板材安装的精度和可靠性。C-ROBOT-I的最大承载能力约为2吨，满载平移速度为8km/h，最大安装高度达5m，最大可操作板材尺寸为1m×1.5m，可操作板材质量达70kg以上，安装精度约0.1mm。采用该系统后，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。

除了装饰物铺贴，墙面很多其他作业也都适合机器人实施。例如，高层建筑外墙的粉刷、清洁等作业不仅耗时费力，而且极具危险性。2014年，韩国机械与材料研究院（KIMM）在开发出一款外墙施工机器人——WallBot。该机器人采用遥控方式工作，通过真空风扇吸附于墙面运动，目前已能完成墙体粉刷、平整和清洁等作业。另外，室内外管线安装中的打孔作业同样耗时费力，施工人员还要忍受粉尘和噪声的侵害，并且手工打孔的质量极难保证。2015年，瑞典nLink公司推出了一款钻孔机器人系统——Mobile Drilling Robot。该系统采用“移动平台+升降台+机械手”的结构，具有手动和自动两种工作模式，通过专用App设置孔径、孔深等参数，便可进行指定位置打孔；若载入待安装线路系统（包括水、电、气、空调等）的CAD/BIM数据后，MDR机器人便可自主完成打孔作业。目前MDR机器人已投入商业市场。

3.3清拆/清运作业机器人

在建筑物的营建准备、基坑挖掘及老旧建筑改造、拆除过程中，涉及大量的土石方清运、既有结构清拆工作。现有的清拆施工，主要依靠人工驾驶挖掘机等破拆设备进行，作业危险性极高，工作环境粉尘及噪声污染严重，对施工人员的人身健康及生命安全构成了极大的威胁。这种粗放式的清拆作业，不但造成资源的极大浪费，使得大量混凝土材料被当作垃圾处理，而且后续的材料（如钢筋）分离回收又会造成了人力的巨大消耗。为了解决这些问题，有关机构研发了清拆机器人，其作业方式包括两种：一种是“冲击破碎”，一种是“分离回收”。

采用冲击破碎作业方式的清拆机器人大多基于有人驾驶清拆设备发展而来，主要改变在于利用遥操作技术替代原有人工驾驶系统。这种机器人化改造使得设备更为紧凑、体积更小，便于室内及狭小空间下的作业需求，广泛应用于灾难救援、房屋维修等领域。另外，遥操作技术使得操作人员远离施工现场，安全性和工作舒适性大获提高，可以大幅提高清拆效率。此类机器人系统目前各大工程机械制造商均有研发，瑞典Husqvarna公司的DXR-301型遥控清拆机器人（如图3a所示）。

采取分离回收方式的清拆机器人系统直接将混凝土与钢筋剥离，同时予以资源化回收。瑞典Umea大学提出的ERO机器人系统即基于这一思路提出（如图3b所示）。ERO机器人由移动本体和机械臂组成，机械臂前段配备高压射流喷射装置破碎墙体，剥落的混凝土浆液被真空吸尘器收集并进行离心分离，其中的混凝土被打包收集，水进行循环再利用。ERO系统目前尚处于概念研究阶段，但其所倡导的资源化、无污染清拆理念，代表了该方向未来的发展趋势。值得一提的是，国内目前也有一些基于高速射流的破拆设备问世，但均未考虑对墙体材料进行资源化回收。

图3　建筑物清拆机器人

图4　土方清理机器人系统（日本小松公司）

利用机器人技术实现基坑填挖等大规模土方作业的自动化，是近年来工程机械领域一个重要的研究方向。目前，基于遥操作技术或无人驾驶技术，已实现了对于推土机、挖掘机等设备的机器人化改造。然而，论及自动化、智能化程度最高的场地土方清理系统，当属日本工程机械巨头小松株式会社所研发的“智能建设”（Smart Construction）系统（如图4所示）。SC系统集成了小松公司所研发的无人驾驶挖掘机、推土机等工程设备，动用四旋翼无人机作为“眼睛”监控施工进度及设备状态，进而达成空-地及地面各设备间的有效协同。SC系统利用无人机配备的3D激光扫描设备，实时绘制施工场地3D模型，进而指导施工规划；通过实时检测土方量变化，动态调整各设备任务。该系统自主化程度颇高，尤其是无人机的引入，成功解决了大面积清场作业信息获取不及时的问题，使得多机之间的在线动态规划与协同成为可能。这种技术集成思路值得其他系统借鉴和推广。

3.43D打印建筑机器人

提及3D打印即增材制造技术，一般被认为是现代技术，但严格来讲，建筑物营建过程本身便具有鲜明的“增材”属性，其可能是人类最早的3D打印实践。将现代3D打印技术应用于建筑行业，当首推美国南加州大学Khoshnevis教授于20世纪90年代提出的“轮廓工艺”（Contour Crafting）技术。CC技术的基本原理与其他普通3D打印机无异，通过挤出设备将材料在指定位置逐层堆砌，差别仅在于CC的打印材料是高密度、高性能混凝土。CC的整体结构类似于大型的龙门吊车，整个打印机横跨于建筑物之上，通过轨道移动控制喷嘴的X-Y轴向位置，伸缩臂控制喷嘴的Z轴位置，最终实现精确的打印定位。在建造过程中，外墙及地面等混凝土结构可直接打印完成，配合以其他抓取设备及特殊装置，该3D打印机也可完成地面及墙面瓷砖铺设，并安装水、气、热、电等管线。随后，仅需人工安装窗户、门以及装饰等即可完工。该技术可在20小时内建造一座240m2的房屋，采用的空心墙体可节省25%～30%的材料和45%～55%的人工。另外，CC技术使得建筑物的构形更为灵活，墙体可以置空，形状不再受直线局限，可自由打印各种曲线及异形结构来提升建筑物的美观度和空间利用率。

龙门吊车式CC系统所能打印的建筑尺度，受到龙门吊车跨度的限制。随着待打印建筑尺度的增大，吊车机构的制造、安装和运输难度将随之增加，整个系统的可移动性变差，造价亦随之提高。为了能够实施更大尺度构筑物的打印，提高CC系统的便携性同时降低制造成本，Ohio大学的Paul Bosscher提出了基于悬索牵引的CC系统，即通过电机牵引多条悬索控制打印吊舱运动（如图5所示）。该吊索系统采用全约束悬索结构，以实现打印吊舱的精确移动并控制喷口方向。但由于大跨度悬索的柔性特性，系统的刚性很难保持，故悬索牵引CC系统的控制难度要高于龙门吊车结构。值得特别提及的是，CC技术目前已得到NASA的资助，用以研究未来可用于月球基地等地外建筑物建造的3D打印设备。

图5　“轮廓工艺”3D打印建筑机器人系统

无论采用龙门结构还是多悬索牵引结构，CC系统最大的问题在于建筑本体尺寸受到打印机大小的限制，故只适用于小型建筑或大型建筑局部结构的作业。为了能够打印更大的建筑，研究者提出了3D打印设备附着于既有建筑物之上的方案，其中以西班牙加泰罗尼亚先进建筑研究所（IAAC）提出的MiniBuilders系统最具代表性（如图6所示）。MiniBuilders系统包括Base、Grip和Vacuum三套3D打印机器人，分别用于地基、墙体和墙面的打印作业。三者通过中央计算机协调彼此运作，并结合自身传感器和定位数据按顺序独立执行任务。首先，利用Base机器人实施地基打印，完成后由Grip机器人附着于墙体顶端打印墙体，最后由Vacuum机器人（配备真空吸盘）附着于墙面实施平整作业。这一作业特性赋予了MiniBuilders系统极大的施工灵活性，理论上通过多机协作，该系统能够打印任意尺度的建筑物。

图6　3D打印建筑机器人系统MiniBuilders

与其他建筑机器人主要关注特定施工工序相比，3D打印建筑机器人的最大优势在于可直接实现整栋建筑营建施工。CC系统和MiniBuilders的基本原理相似，但却代表了两种全然不同的实施思路。CC的外支撑系统适用于小型建筑物营建，而可附着于既有建筑的3D打印系统作业空间灵活，可实施任意尺寸的营建施工，若配合以多机协同施工，应用领域将更为广泛。两种系统适用于不同场合，后续研究中可考虑将两种方式相互结合，进一步扩展3D打印建筑机器人的适用范围。

3.5可穿戴辅助施工机器人系统

人体外骨骼机器人（Wearable Robotic Exoskeleton）是一类通过精密机械装置协助人体完成动作的装置（同步、加强、模仿），它结合了外骨骼仿生技术和信息控制技术，涉及生物运动学、机器人学、信息科学、人工智能等跨科学知识。目前，外骨骼机器人系统主要应用于医疗（助残、康复）和军事（增强负重、助力）领域，下一步自然是延伸至工业应用，包括工程施工、紧急救助（疾病、事故、灾害、突发事件）、生产制造、搬运输送、危险工作（如核电站操作维护、航天空间站、深水作业）等领域，用以减少工伤事故，提升工作效率。

在建筑施工领域，外骨骼机器人尚处于概念提出和原型机开发阶段。典型系统有MIT的d'Arbeloff实验室开发的SRA和SRL（Supernumerary Robotic Arms/Limbs）（如图7所示）。SRL系统主要用于高空作业人员安全防护，同时为钻孔等作业提供助力支持并稳定其工作位姿。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，目前通过平板电脑进行遥控操作。SRA系统采用背囊式结构，主体包括两个6自由度机械臂和一套佩戴于工作人腕部的传感器系统，主要功能在于辅助施工人员托举、稳定重物，以便双手可以进行更为精细和辅助的安装作业。SRA最为显著的特点在于能够识别人员行为意图，自主决定何时、何地给予施工帮助，极大方便了工作人员的操所难度。

图7　施工用外骨骼助力机器人

在今后相当长一段时间内，建筑施工还不能完全由机器人替代，加之建筑业本身所具有的危险、繁重的自然属性，为了提升人员的施工效率并减少安全事故，今后在工程施工中引入外骨骼机器人，将是必然之举，其应用潜力非常巨大。不过，鉴于外骨骼机器人系统涉及复杂的“人体-机电-信息-控制”多学科交叉，尤其是受制于人员运动意图判断、能源供给、控制策略等技术因素制约，这些系统要真正投入应用，尚需时日。

3.6飞行建造机器人系统

近年来随着无人飞行器技术走向成熟，催生了利用四旋翼飞行器实施建筑物营建的新潮构想。飞行平台可以在3D空间自由移动，能够克服陆基系统对于脚手架等辅助设备的依赖，具有可扩展性好、作业空间不受限制等优势。同时，飞行营建可实现建筑物设计与营建全过程的数字化整合和信息化监督。因此，飞行营建特别适用于特殊非标准结构的营建作业。

飞行营建的概念由ETH Zurich的建筑与数字建造专家Gramazio & Kohler联合该校机器人专家Raffaello D'Andrea一同提出。2012年，他们实施了一个名为“飞行装配建筑”（Flight Assembled Architecture）的实验项目，利用多台四旋翼无人机搭建了一个高约6m、包含1500块泡沫块的大尺度曲线形构筑物（如图8a所示）。营建实验在一个配备运动捕捉系统的实验室进行，整个系统采用集中式控制体系，由一台中央计算机负责无人机运动数据采集、算法运算和运动指令发送，使无人机能够自主完成抓取、运送、定位、放置及充电等作业。该工作主要出于概念展示目的，其成功实施验证了飞行器平台实施结构体营建的可行性，并产生了强烈的社会反响。

为了进一步展示飞行器营建不受空间限制的独特优势，Gramazio & Kohler还开展了柔性悬索结构的无人机搭建实验（如图8b所示），这类结构可用于野外的临时性通过或牵引结构。柔性绳索结构的基本构成元素包括“结点”（node）和“链接”（link），结点兼具固定和牵拉作用，结构相对复杂且类型很丰富，如半转结、圆转节、圆节等。根据其类型不同，需无人机牵引绳索实施绕飞、穿梭、双机配合等机动飞行，而如何将不同结点映射为无人机的有效飞行轨迹，便成为解决此类搭建最为关键的问题。另外，由于无人机需携带重物并牵拉绳索，故其控制需同时考虑牵引力和空间位置，这对无人机的运动规划、飞行控制及多机协同均提出了极高的要求。

图8　飞行营建

以上两项工作均采用集中式协调策略控制多台无人机运动，与此不同，宾夕法尼亚大学的Lindsey & Kumar基于分布式协同技术，开展了多台四旋翼无人机搭建三维立体框架结构的研究，使得各无人机在不获取结构体全局信息的情况下便可完成预设结构搭建，极大地降低了无人机系统的控制复杂度。此外，ARCAS项目关注于利用装配在直升机上的机械臂进行装配作业。

与常规的陆基建筑机器人相比，空基营建作业的最大优势在于飞行器运动空间不受限制、通用性好、可扩展能力强，这有助于在数字化建筑物设计方案与自动化营建之间建立更为直接的联系，提高施工作业的灵活性，后继发展潜力很大。不过就当前而言，受制于无人飞行器承载能力、建筑任务分解与规划、大载荷下的飞行稳定性、多机协同控制等技术因素的局限，飞行营建技术还处于非常初级的概念研究阶段，该技术要真正投入实用还为时尚早。

3.7建筑物机器人化营建框架

前文所述建筑机器人技术大都针对某一单项任务，其中多数系统的研发目的仅在于对现有手工作业的替代，整个营建模式依然遵循经典模式。事实上，为了最大限度发挥建筑机器人的优势，既有的建筑结构及营建模式必须发生适应性改变。这便涉及到如何利用机器人开展更为有效的营建作业这一基础性问题。

2015年，英国政府资助了一项名为“针对建筑环境的柔性机器人装配模块”（FRAMBE）的新一代建筑机器人研究计划。该项目由工程机械巨头Skanska UK领衔，联合了ABB Robotics（机器人）、Dekla UK（软件）、Exelin（咨询）、The UKs Building Research Establishment（建筑设计）、Reading大学等多家机构，旨在从整体实施思路出发，“建立将机器人技术引入建筑施工的整体框架并进行演示”。FRAMBE的大致思路是基于模块化思想，建筑物整体采用模块化结构，利用机器人进行预置模块的就近制造，现场采取机器人装配。该项目目前尚未发布研究结果，其最终成果值得期待。

另外一项值得关注的项目便是Google公司位于山景城的新办公大楼的建造（如图9所示）。据报道，Google计划研发一款（套）名为Carbot的机器人来施建造整栋建筑。该建筑将采用模块化结构，包括墙体、立柱、地板等基本构件，可通过对相关模块的拆解与重组改变室内空间布局，以针对不同的空间使用需求。这种“可变形空间”的思想将极大地简化室内改造的成本和难道。Google的这一项目极具想象力，然而到目前为止尚未见其发布详细技术报告。

图9　Google新总部建造设想图

毫无疑问，随着机器人技术越来越多地应用于建筑施工作业，势必导致建筑物本身及其营建模式的巨大改变。因此，在目前主要着眼于工序替代的建筑机器人研究之外，急需开展更为广义和具有指导性、方针性的机器人化施工框架研究，以使建筑物-机器人相互适应，达到真正自主、智能、高效营建的目的。目前来看，建筑本体及施工作业的模块化，是一条较为可行的途径。

3.8其他建筑机器人系统

建筑机器人的涉及面非常广泛，除前文所列举的几大类，还有其他一些与建筑施工作业密切相关的系统。例如，混凝土建筑中需要对钢筋/钢丝等线材进行箍扎作业，该工作耗时费力，近来出现了基于通用机械手的线材编制机器人。基坑四壁、隧道和矿坑内壁的混凝土喷浆加固作业，目前已有投入应用的喷浆机器人系统，极大地提高了喷浆效率和喷施均匀度；在大型钢构结构施工中，已有专用的焊接机器人参与部件高精度对接作业，北京奥运场馆“鸟巢”和“中国第一高楼”上海中心的钢结构施工中均用到了建筑焊接机器人（如图10所示）；基于SLAM与无人机技术的建筑物三维重建，在建筑物的勘察、保护等方面亦极具应用前景；目前用于建筑物消防、管线清理的机器人系统，更是不胜枚举。

图10　其他建筑机器人

总而言之，机器人技术可应用于建筑物营建过程的方方面面，只要需求明确，均可有针对性地研发相应的机器人系统。鉴于建筑施工的业态类型极为丰富，其中很多作业过程目前尚未见机器人技术涉足，这些空白还有待填补。

4　发展措施与建议

通过前文的研究现状可以看出，建筑机器人的研发具有鲜明的“应用导向”特色，其发展依赖于两方面的因素：一是相关通用机器人技术的进步；二是对建筑行业施工需求的准确提炼。与之相对应，开展建筑机器人研究需立足于这两个方面，即在明确建筑施工所面临技术难题和从业者实际需求的基础上，通过对现有机器人技术的集成、改造和创新，实现建筑机器人技术的发展与进阶。

针对我国建筑机器发展欠佳的现状，遵循由难到易、循序渐进的思路，提出以下几方面发展措施或建议：

（1）加速传统建筑设备的机器人化改造

对现有的建筑施工设备进行机器人化改造，是发展建筑机器人技术并使其快速投入应用的一条捷径。例如，对于建筑用工程施工车辆，如挖掘机、推土机、压路机、渣土车等，可基于遥操作、自主导航与避障、路径规划与运动控制、智能环境感知、无人驾驶等技术对其进行改造，实现相关车辆操作的遥控化、半自主化，甚至完全自主化，减少操作人员的工作负担、优化工作环境、提升作业安全性和效率，推进施工作业的标准化和精细化。参照这一模式，亦可考虑对塔吊、起重机等提举系统进行遥操作改造，通过远程遥控操作彻底解除施工人员的安全威胁。

（2）促进即有机器人技术在建筑业中的应用

目前研发的很大机器人技术均属于通用技术，它们在建筑业中具有广阔的应用前景。例如，在环境感知与建模方面，可利用无人飞行器（UAV）、轮式/履带机器人等移动平台搭载激光雷达、结构光摄像头、3D视觉等环境感知设备，基于多源信息融合、同时定位与地图创建（SLAM）等环境建模技术，实现建筑物内外结构及周边环境的自主测绘与3D建模；利用UAV并配合SLAM技术，实现土方开挖、废料清运及结构物施工进度及工程量的实时监测，为大尺度施工作业中多设备任务优化与协调提供铺垫。再如，基于机械手、移动机器人底盘搭建的通用移动操作平台，有望替代人工完成诸如砌筑、抹灰、平整、抛光、编织、铺贴、钻孔等很多操作。

（3）大力推动建筑业专用机器人系统研发

毋庸置疑，建筑业有其独有的特殊性，故通用技术不可能解决所有问题。为了能够更好地实施营建，根据建筑业之特性研发专用建筑机器人，是极其必要的。例如，3D打印建筑机器人的突出代表“轮廓工艺”技术，针对房屋施工的各种特殊需求，进行了有效的针对设计，最终才成就了该系统直接打印包括水电管线在内的完整房屋的能力。喷浆机器人、ERO混凝土回收机器人等，均是针对建筑业的特殊需要定制研发的。这一方面的工作，后续要进一步加大力度。

（4）促进可穿戴辅助施工机器人研究

短期之内，建筑机器人尚不能完全替代工人施工。因此，未来对于具有防护、增效作用的外骨骼机器人系统的需求会非常旺盛。这类系统的结构设计可参考军用外骨骼机器人进行，功能方面则依赖于具体的应用场景。特别是营建施工中大量存在的合作实施工序，需要机器人系统主动予以配合，此时对于人员动作意图的识别并合理施助，是一个较难解决的问题。

（5）协同推进适应于机器化施工的新型建筑结构及建材研究

为了充分发挥建筑机器人的优势，传统的建筑形式与施工模态必然要作出相应的改变。目前来看较为可行的途径是采用模块化结构，利用机器人进行模块的预制、组装，这将大幅减小机器人的作业难度，同时可有效提高新建筑的营建速度。另外，新型建材的研发也要同步推进。例如，3D打印建筑机器人对于混凝土的流动性、凝固速度等有很高的要求；实施飞行营建则要求各模块间具有主动结合的能力。

（6）探索特殊环境下的建筑机器人施工技术

以月球/火星基地、核辐射区蔽掩、水下设施等为代表的特殊建筑物，施工风险极高甚至人员不可达，故只能依赖于建筑机器人进行营建。例如，欧空局正在研发基于3D打印技术的月球基地施工机器人；而NASA也资助了“轮廓工艺”的研发，正在为未来的火星基地建设做准备。通过发展建筑机器人技术，未来包括切尔诺贝利核电站、福岛核电站等的隔离设施的建造难题将迎刃而解。

5　结语

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，整个建筑业或借机完成跨越式发展。建筑业在我国属于支柱产业，2015年其总产值达18.08万亿元，占到GDP近27%的份额，从业者近5000万，这一庞大的内需市场为我国建筑机器人的发展壮大提供强有力的保障。在十三五规划中，明确支持将大力发展机器人技术，这一方针对建筑机器人的开发应用产生极为深远的影响。十数年来，我国在工业机器人、特种机器人以及机器人通用技术方面已经积累了较多的经验，并储备了大量人才，加之国家大力倡导创新的利好局势，建筑机器人未来在我国必将取得长足的发展。

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于军琪（1969-），男，博士，西安建筑科技大学教授、博士生导师，西安建筑科技大学研究生院副院长，智能建筑学科负责人，国家公派英国雷丁大学访问学者。担任全国高等学校建筑电气与智能化学科专业指导委员会副主任、陕西省土木建筑学会智能建筑专委会副主任等职务。长期从事建筑电气与智能化、建筑机器人等科研与教学工作。

曹建福（1963-），男，陕西宝鸡人，博士，西安交通大学电信学院教授、博士生导师，中国自动化学会理事，陕西省自动化学会副理事长兼秘书长。研究方向包括先进机器人控制、工业系统故障诊断与非线性系统理论等。