浅析建筑机器人标定及运动特性

摘要：随着我国建筑行业的快速发展，很多建筑施工都是靠工人来完成的，施工过程复杂，经常会出现一些安全事故，工程施工速度缓慢。针对这种现象，我国建筑管理部门开始对建筑机器人进行研究。对于建筑机器人的研究而言，标定是提高其控制精度的关键技术，其运动特性包括正反转运动和旋转运动，通过对其运动特性的研究，可确定其工作时间和性能。

关键词：建筑机器人;标定;运动特性

引言：

运动学是机器人研究的基础，建筑机器人运动学的研究是机器人工作的前提，对于建筑机器人标定和轨迹规划等方面的研究具有重要意义。对建筑机器人运动特性的研究包括机器人的设定、运动轨迹规划、运动学分析等相关技术的研究，是机器人控制的基础，也是机器人研究主要内容。本文主要探讨国内外建筑机器人的现状、标定及运动特性。

1国内外建筑机器人的现状

1982年，日本诞生世界第一个建筑机器人，从那时起，建筑机器人在世界各地迅速发展起来，并被广泛应用于喷漆、焊接、工程施工和清洗等许多工作领域。许多国家和地区，都积极投入到建筑机器人的研究中，并设有专门的研究机构，早在21世纪初，我国就开始建筑机器人的研究，研究内容主要集中在高层建筑工程机械化、材料选择和幕墙安装等方面。目前，中国已经研制出一种新型建筑砌砖机器人，其结构为六轴，可在工作范围内任意移动，根据设定的相应指令，机器人能24小时不间断地工作，可以提高建筑工程的施工速度。跳跃式机器人通过3 d扫描技术，精确地计算出每块砖头最合理的安装位置，并能将砖头整体传送到工程中，利用建筑机器人的自动操作技术，将砖头准确地放在相应位置。在日本，研究人员研制出一种履带式爬壁机器人，它的履带是用永磁杆焊构成的，当机器人爬到天棚时很容易出现履带脱落现象，从而导致机器人掉出天棚，为了避免这种现象，我国的工作人员在履带上安装一个倒杆，这样做的目的是使履带粘合，链子变成刚性链子，在倒杆作用下，建筑机器人变得更加稳定。机器人的工作效率得到很大的提高。

2建筑机器人的标定

建筑机器人的产生、实施及操作均可通过标定预测结果，这样做可以提高机器人的工作效率，减少建筑工程中资源消耗，建筑机器人标定系统可通过软件实现更高的定位精度，但建筑机器人自身的机械结构和设计并不会发生变化，当标定精度达不到预设要求时，则需要建筑机器人进行轨迹规划、离线编程等方面的应用，国内外许多学者对此展开研究，通过一定的测量方法和基于模型的参数识别方法，精确地识别出机器人的结构参数，并确定出从关节变量到工作空间的具体操作方法，确定终端执行器的实际位置和更准确的函数关系，从而达到对控制器和模型参数进行校正的目的。机器人的标定，一般可分为三个层次，关键结标定、运动学标定和动力学标定。建筑机器人的标定一般可分为三个级别，关节水平标定、运动学水平标定、动力学水平标定，关节水平标定的作用是显示出关节传感器上的关节值与实际值之间的关系，运动学水平标定包括连杆的几何参数和关节连接的灵活性。动力学水平标定主要是对建筑机器人的连杆惯性进行标定，所以建筑物机器人的标定方法通常分为运动学标定和非运动学标定。施工机器人的标定包括建立模型、参数测量、数据误差分析和误差补偿四个步骤，利用精密测试仪可以测量机器人多点位置误差，再用最小二乘法或其它多种方法识别误差源的大小，最后通过附加控制算法或修改源控制算法对其进行误差补偿。

3建筑机器人运动特性的研究

在工程施工中，施工机器人的工作空间被定义为近处，施工机器人在正常工作时，其末端杆件在极坐标系下点的集合是建筑机器人具体的工作范围，一般采用门卡计算方法和若法计算方法。在工程施工前，对建筑机器人的规划主要包括两面，一是建筑机器人的位移速度和加速度的曲线变化图，二是建筑机器人的运动曲线轨迹。建筑机器人的末端运动轨迹和各关节运动轨迹是检测建筑机器人结构是否合理的重要指标，也是后续工作中进行结构动态图设计的基础。轨道插补方法是最有效的规划建筑机器人路径的方法，它可以根据机器人的初始位置和终止位置，为建筑工程中的机器人规划出各个环节和轨迹。本文提出一种能够同时满足工程时间实时性和空间实时性的轨迹插补方法，工程时间实时性是指一次轨迹插补过程可以在一个采样周期内完成，大部分算法都能满足这一要求，空间实时性是指建筑机器人的控制系统可以完成轨迹插补并在线调整参数。在插补计算过程中，由于事先为建筑机器人的路径规划方向和法向量方向预留出接口，从而能够控制界面，实现对机器人运动轨迹的实时操作，同时还结合关节角速度，使建筑机器人的运动轨迹符合关节空间规划的要求，从而获得约束输入量，用于计算下一步的位移和运动速度，然后采用轨迹插补法，计算出关节角值并传送给下一关节角，用于建筑机器人的运行控制。

结束语：

对建筑机器人的研究主要目的是提高机器人的精度，从而解决建筑工人劳动力低、工作效率低下等重大问题的，具有重要的现实意义。本文对建筑机器人标定和运动特性进行详细的分析，希望国内专业人员能通过更多的实验和仿真方法，对建筑机器人标定和运动特性进行深刻的研究，为我国建筑机器人的后续规划和离散編程技术的发展奠定良好的基础。

参考文献：

[1]  周乐天. 建筑机器人移动定位技术研究[D].电子科技大学，2019.

[2]  费清琪. 建筑机器人的轨迹规划和伺服控制技术研究[D].苏州科技大学，2018.

[3]  于军琪，曹建福，雷小康. 建筑机器人研究现状与展望[J]. 自动化博览，2016（08）：68-75.

作者简介：谭靖喜（19870717）男，（广西贵港市覃塘区石卡镇白沙村），本科学历，研究方向建筑机器人。

（作者单位：广东博智林机器人有限公司）