作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要一環(huán)，建筑業(yè)影響著中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人民就業(yè)和社會(huì)穩(wěn)定。隨著中國(guó)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(guó)建筑業(yè)企業(yè)總產(chǎn)值為 119 843.55 億元，同比增長(zhǎng)18.85%，占國(guó)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(guò)度依賴(lài)工人作業(yè)等原因，中國(guó)建筑業(yè)一直存在質(zhì)量低下、利潤(rùn)不高、工期冗長(zhǎng)等問(wèn)題[2]。另一方面，中國(guó)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(dá)5011人[3]。此外，在社會(huì)老齡化、青少年價(jià)值觀轉(zhuǎn)變等因素的影響下，建筑業(yè)正面臨著勞動(dòng)力短缺的窘境。因此，中國(guó)建筑業(yè)迫切需要轉(zhuǎn)型升級(jí)，通過(guò)新的建造模式來(lái)促進(jìn)行業(yè)的健康發(fā)展。

建筑機(jī)器人是指應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域的機(jī)器人系統(tǒng)，能按照計(jì)算機(jī)程序或者人類(lèi)指令自動(dòng)執(zhí)行簡(jiǎn)單重復(fù)的施工任務(wù)。建筑機(jī)器人對(duì)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(chǎng)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(dòng)力缺乏問(wèn)題；④減少資源浪費(fèi)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。由于建筑機(jī)器人正好彌補(bǔ)了建筑行業(yè)面臨的制約因素，2020年9月，中國(guó)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(mén)關(guān)于推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，指出“加快部品部件生產(chǎn)數(shù)字化、智能化升級(jí)，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(jī)器人”[5]。由此可見(jiàn)，建筑機(jī)器人的建造模式是建筑業(yè)未來(lái)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(chǎng)施工的建筑機(jī)器人技術(shù)逐漸成熟，單任務(wù)施工機(jī)器人（搬運(yùn)機(jī)器人、安裝機(jī)器人等）和集成機(jī)器人建造現(xiàn)場(chǎng)大量涌現(xiàn)，使得施工任務(wù)更加高效、精準(zhǔn)和安全[6]。然而，中國(guó)建筑機(jī)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(biāo)準(zhǔn)[2]。另外，隨著建筑機(jī)器人的普及應(yīng)用，機(jī)器人對(duì)復(fù)雜建筑環(huán)境的適應(yīng)、機(jī)器人在工地的管理維護(hù)和新型產(chǎn)業(yè)工人的培養(yǎng)等一系列問(wèn)題值得深入探討。為此，本文對(duì)國(guó)內(nèi)外建筑施工機(jī)器人的研究案例進(jìn)行梳理和介紹，并根據(jù)中國(guó)建筑施工機(jī)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(jī)構(gòu)拓寬研究思路，為中國(guó)建筑施工機(jī)器人的發(fā)展提供參考。

1.1 建筑機(jī)器人發(fā)展歷程

建筑機(jī)器人概念最早在20世紀(jì)70年代提出，經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)，1982年第一款建筑機(jī)器人（SSR1）成功被應(yīng)用到防火涂料作業(yè)中[7]。此后美國(guó)、歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家和澳大利亞等國(guó)家也投入到建筑機(jī)器人研究當(dāng)中，以替代人工開(kāi)展危險(xiǎn)且粗重繁復(fù)的施工作業(yè)[8]。近年來(lái)，中國(guó)企業(yè)機(jī)構(gòu)開(kāi)始研發(fā)建筑機(jī)器人，一些能夠完成單一施工工序的自動(dòng)化或半自動(dòng)化機(jī)器人設(shè)備逐漸出現(xiàn)[2]。據(jù)美國(guó) Guidehouse Insights咨詢(xún)公司統(tǒng)計(jì)，到2030年，全球建筑機(jī)器人的市場(chǎng)規(guī)模達(dá) 110億美元，年增長(zhǎng)率達(dá)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(jī)器人可處理的工作量遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了工程實(shí)際需要，表明全球建筑機(jī)器人應(yīng)用市場(chǎng)仍處于培育期[10]。

建筑機(jī)器人的常見(jiàn)分類(lèi)有以下幾種：根據(jù)概念可分為“廣義”和“狹義”兩類(lèi)，分別指用于建筑生命全周期（設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維、破拆）和工程施工環(huán)節(jié)（基礎(chǔ)、主體和裝修施工）的機(jī)器人設(shè)備[11]；根據(jù)使用場(chǎng)合，可分為施工場(chǎng)地外機(jī)器人設(shè)備（如預(yù)制件加工設(shè)備等）和施工場(chǎng)地內(nèi)機(jī)器人設(shè)備（如搬運(yùn)機(jī)器人等）；根據(jù)智能程度，可分為遠(yuǎn)程遙控機(jī)器人設(shè)備、可編程式機(jī)器人設(shè)備和智能機(jī)器人設(shè)備，其中遠(yuǎn)程遙控機(jī)器人設(shè)備的控制是通過(guò)有線或無(wú)線遙控器實(shí)現(xiàn)，機(jī)器的運(yùn)行基本還是受限于工人控制，而可編程式機(jī)器人設(shè)備可以通過(guò)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(jī)器人設(shè)備可在無(wú)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(dòng)運(yùn)行和故障報(bào)警等功能[12]。

1.2 建筑機(jī)器人系統(tǒng)組成

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

控制系統(tǒng)作為機(jī)器人的大腦，通過(guò)程序指令和人機(jī)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(jī)器人的眼睛，通過(guò)內(nèi)部傳感器和外部傳感器分別收集機(jī)器人內(nèi)部系統(tǒng)（如機(jī)器人的位姿、狀態(tài)等）和外部環(huán)境的信息（如障礙物檢測(cè)、位置檢測(cè)等）；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為機(jī)器人的肌肉，為機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力，包括電動(dòng)、氣動(dòng)和液壓裝置3種形式；機(jī)械系統(tǒng)作為機(jī)器人的骨架，是實(shí)現(xiàn)相關(guān)施工動(dòng)作的基礎(chǔ)，包含移動(dòng)底盤(pán)、連接裝置、執(zhí)行裝置和其他部件。在建筑機(jī)器人施工過(guò)程中，控制系統(tǒng)首先下發(fā)指令給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，收到指令的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)再以特定的速度和方向驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的施工動(dòng)作，而感知系統(tǒng)在整個(gè)過(guò)程中不斷收集機(jī)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(jìn)一步調(diào)整機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，從而形成閉環(huán)控制。

本節(jié)主要針對(duì)工程施工環(huán)節(jié)的代表性建筑機(jī)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(jī)器人的研究現(xiàn)狀。

2.1 主體結(jié)構(gòu)施工機(jī)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(guò)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(xiǎn)作業(yè)，需要消耗大量的人體勞動(dòng)，并且在施工過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵、噪聲等危害因子會(huì)對(duì)人體健康造成不可逆的損害[13-14]。為了解決上述問(wèn)題，建筑機(jī)器人應(yīng)時(shí)而生，它不僅能長(zhǎng)時(shí)間工作，避免工人面臨的危險(xiǎn)隱患，還能節(jié)約勞動(dòng)力，解決工人短缺問(wèn)題。目前，研究較為廣泛的主體結(jié)構(gòu)機(jī)器人為砌磚機(jī)器人和混凝土地面處理機(jī)器人，本節(jié)主要針對(duì)這些機(jī)器人的技術(shù)研究展開(kāi)描述。

2.1.1 砌磚機(jī)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(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家率先研發(fā)自動(dòng)化砌磚機(jī)器人，技術(shù)處于領(lǐng)先水平（表1）。例如：美國(guó) Construction Robotics 公司研發(fā)的軌道式SAM100機(jī)器人，由機(jī)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(guó)砌磚機(jī)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(jī)器人配備了28m的伸縮機(jī)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(dá)到1000塊/h和0.5 mm[17]；美國(guó) Construction Robotics公司研發(fā)的 MULE砌磚機(jī)器人通過(guò)提升夾取機(jī)構(gòu)和精密定位裝置協(xié)助工人進(jìn)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(jī)器人的優(yōu)勢(shì)，但仍存在一些問(wèn)題，如需依賴(lài)人工操作、使用非傳統(tǒng)建材等。

相比于國(guó)外，目前中國(guó)的砌磚機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、視覺(jué)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(tuán)和上海大界機(jī)器人聯(lián)合研發(fā)了一款可實(shí)現(xiàn)“定位-上磚-抹灰-擺磚”的砌磚機(jī)器人，包含越障移動(dòng)底盤(pán)、上磚裝置、抹灰裝置和六軸機(jī)械臂等結(jié)構(gòu)[19]。砌磚機(jī)器人工作流程如圖3（a）~（c）所示，機(jī)械臂與上磚抹灰系統(tǒng)組成砌墻機(jī)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(jī)械臂精準(zhǔn)抓取至抹灰口進(jìn)行自動(dòng)抹灰操作，然后機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主移動(dòng)，且在開(kāi)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(jī)器人在實(shí)際工地環(huán)境測(cè)試中能自動(dòng)完成砌筑工作，墻體平整度和垂直度分別達(dá)到2.5mm和3.5 mm，均滿足施工規(guī)范要求。此外，機(jī)械臂作為砌筑的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)規(guī)劃決定著砌筑的功效和質(zhì)量。目前機(jī)械臂的控制主要借助人工示教和編程實(shí)現(xiàn)，但是這種方法存在效率低和耗時(shí)長(zhǎng)等問(wèn)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(jī)器人的信息（包括施工現(xiàn)場(chǎng)、機(jī)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(guò)場(chǎng)景重建補(bǔ)充裝配建材的空間位置信息和生成機(jī)器人的控制指令。為了檢驗(yàn)這種任務(wù)規(guī)劃方法的效果，試驗(yàn)人員利用砌墻機(jī)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(shí)，見(jiàn)圖3（e）、（f）。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這種新型方法的任務(wù)規(guī)劃總耗時(shí)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(shí)明顯增加，而新型方法的任務(wù)規(guī)劃耗時(shí)基本不變，說(shuō)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?？偟膩?lái)說(shuō)，面對(duì)復(fù)雜多樣的建筑環(huán)境砌墻機(jī)器人如何快速準(zhǔn)確完成砌筑任務(wù)是未來(lái)主要的研究熱點(diǎn)。

2.1.2 混凝土地面處理機(jī)器人

混凝土地面處理是混凝土澆筑時(shí)較為關(guān)鍵的施工工序，傳統(tǒng)工藝對(duì)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(biāo)定技術(shù)和控制技術(shù)的進(jìn)步，市面上出現(xiàn)了自動(dòng)化混凝土地面處理裝備（激光整平和抹平機(jī)），用于替代傳統(tǒng)人工作業(yè)[21-22]。激光整平和抹平機(jī)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(guò)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(biāo)高信息發(fā)送到機(jī)器，機(jī)器接收到激光信號(hào)后，通過(guò)液壓系統(tǒng)控制閥調(diào)整整平或抹平頭的高度，實(shí)現(xiàn)混凝土地面的整平抹平[22]。經(jīng)過(guò)項(xiàng)目施工發(fā)現(xiàn)，相比傳統(tǒng)工藝，激光整平機(jī)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(jī)優(yōu)勢(shì)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(lèi)型，仍需有操作經(jīng)驗(yàn)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(jī)器人的研發(fā)可有效解決上述裝備所面臨的問(wèn)題：但受限于自身定位和路徑規(guī)劃等技術(shù)，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。為此，哈爾濱工業(yè)大學(xué)針對(duì)混凝土地面整平機(jī)設(shè)計(jì)了一套視覺(jué)定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境中合作靶標(biāo)的位置，進(jìn)行地圖構(gòu)建和定位[21]。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)能在盲區(qū)和機(jī)器抖動(dòng)時(shí)有效識(shí)別出機(jī)器人的位姿，但當(dāng)相機(jī)離靶標(biāo)距離越大時(shí)，其精度越差，因而還難以進(jìn)行實(shí)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(jī)，其主要利用工程圖紙和 BIM 模型進(jìn)行自主定位導(dǎo)航，但在不同戶型施工時(shí)需頻繁切換圖紙和模型，這無(wú)疑降低了施工效率，使用效果還有待工程實(shí)踐驗(yàn)證[24]。因此，穩(wěn)定高效的自主定位導(dǎo)航系統(tǒng)是開(kāi)發(fā)智能化混凝土地面處理機(jī)器人的關(guān)鍵。

2.2裝修施工機(jī)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(jī)器人的研究受到熱捧。本節(jié)主要介紹墻地面打磨機(jī)器人、噴涂機(jī)器人和瓷磚鋪貼機(jī)器人的研究進(jìn)展。

2.2.1 墻地面打磨機(jī)器人

在裝修施工時(shí)，天花板、墻面部分區(qū)域需進(jìn)行打磨作業(yè)。傳統(tǒng)的墻面打磨嚴(yán)重依賴(lài)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(tīng)力損害等疾病[13-14,25]。針對(duì)以上問(wèn)題，需開(kāi)發(fā)一款少人化或無(wú)人化施工的打磨機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)墻地面的自動(dòng)打磨作業(yè)?，F(xiàn)有墻地面打磨機(jī)器人主要由機(jī)械臂、移動(dòng)底盤(pán)、打磨頭、墻面高度檢測(cè)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(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、墻面平整度檢測(cè)和運(yùn)動(dòng)控制等[26-27]。

2021年，煙臺(tái)大學(xué)基于3D視覺(jué)技術(shù)設(shè)計(jì)了一款高精度墻面打磨機(jī)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(jué)系統(tǒng)和移動(dòng)平臺(tái)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，找到墻面打磨位置坐標(biāo)[圖5（b）]，再控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)到指定位置，然后開(kāi)啟打磨頭進(jìn)行打磨作業(yè)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)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(gè)墻面打磨效果來(lái)看：其打磨的精度和穩(wěn)定性還有待提高。墻面打精度是評(píng)判墻地面打磨機(jī)器人施工質(zhì)量的重要參數(shù)，主要受到執(zhí)行裝置的動(dòng)作與壓力、墻面檢測(cè)的精度、移動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)控制決定著打磨作業(yè)的精度。Zhou 等[27]針對(duì)執(zhí)行裝置的運(yùn)動(dòng)控制，提出了一種基于圖像視覺(jué)的阻抗算法模型，用于調(diào)節(jié)執(zhí)行裝置的作用力和動(dòng)作兩者的動(dòng)態(tài)關(guān)系［圖６（ａ）］。執(zhí)行裝置的動(dòng)作由視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(chǎng)景下打磨的穩(wěn)定性和精度。在實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，隨著控制循環(huán)的進(jìn)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(jī)器人打磨效果較好，說(shuō)明這種算法模型具有明顯的優(yōu)勢(shì)［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(jī)器人作業(yè)精度和穩(wěn)定性的主要措施。

2.2.2 噴涂機(jī)器人

噴涂施工為裝修工程的常見(jiàn)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(guó)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(diǎn)：①外墻噴涂工序?qū)儆诟呖兆鳂I(yè)，存在嚴(yán)重的安全隱患；②涂料含有毒物質(zhì)，對(duì)工人有致癌作用；③工人的技術(shù)水平會(huì)影響涂層的質(zhì)量；④傳統(tǒng)手工噴涂效率低[25-28]。可見(jiàn)，噴涂施工的自動(dòng)化亟需解決。

在工業(yè)中，噴涂機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、輪船等行業(yè)，常見(jiàn)的移動(dòng)方式有導(dǎo)軌式、爬壁式和移動(dòng)式等[29]。對(duì)于建筑室內(nèi)環(huán)境，移動(dòng)式噴涂機(jī)器人工作自由度較高，能靈活應(yīng)對(duì)多種復(fù)雜作業(yè)對(duì)象，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，因此備受推崇。目前研究中，室內(nèi)移動(dòng)噴涂機(jī)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(jī)械臂、1自由度升降臺(tái)和3自由度移動(dòng)平臺(tái)，該種結(jié)構(gòu)機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)壁面的全覆蓋噴涂作業(yè)，工作場(chǎng)景包括商品房、廠房和倉(cāng)庫(kù)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(jī)協(xié)作室內(nèi)噴涂機(jī)器人 Pictobot，如圖 7（a）所示，其包含移動(dòng)底盤(pán)、無(wú)氣噴涂系統(tǒng)、自抬升結(jié)構(gòu)（最大抬升高度10m）、機(jī)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(fù)責(zé)設(shè)置噴涂的參數(shù)（壓力、厚度等），通過(guò)遠(yuǎn)程操作遙控變換機(jī)器人的工作站點(diǎn)，以應(yīng)對(duì)變化的工作環(huán)境，并且負(fù)責(zé)開(kāi)展墻壁低處及邊角的噴涂作業(yè)。噴涂機(jī)器人負(fù)責(zé)在壁面高處進(jìn)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(chǎng)景和分析墻面的3D特征，進(jìn)而自動(dòng)控制抬升機(jī)構(gòu)的高度和規(guī)劃噴槍機(jī)械的運(yùn)動(dòng)[圖7（b）]。在人機(jī)協(xié)作的條件下[圖7（c）]，該款自動(dòng)化機(jī)器人相比于傳統(tǒng)工藝的優(yōu)勢(shì)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?jiàn)，“6+3+1”自由度結(jié)構(gòu)機(jī)器人施工具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但仍需工人配合施工，其自主化施工的程度需進(jìn)一步提升。

與室內(nèi)噴涂工序相比，外墻噴涂更具危險(xiǎn)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(méi)有可靠的安全保障，存在高空墜落的風(fēng)險(xiǎn)[28]。因此，研究一款無(wú)人化施工的外墻噴涂機(jī)器人具有顯著的意義。由于戶外高空作業(yè)的特殊場(chǎng)景，外墻噴涂機(jī)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(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定作業(yè)，外墻噴涂機(jī)器人需具備外墻吸附和自由移動(dòng)的功能，常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)了一款懸臂架固定的外墻噴涂機(jī)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(jī)器人移動(dòng)本體、吸附足和鋼絲繩等組件。機(jī)器人通過(guò)固定在“女兒墻”懸臂架上的鋼絲繩實(shí)現(xiàn)垂直移動(dòng)，借助4個(gè)吸附足的吸附作用進(jìn)行固定作業(yè)，當(dāng)完成一個(gè)豎直面噴涂時(shí)，再通過(guò)軌道裝置移動(dòng)懸臂架進(jìn)行下一個(gè)豎直面的作業(yè)。由于需要覆蓋一定的作業(yè)面，機(jī)器人本體的噴槍組會(huì)搭載在數(shù)控移動(dòng)滑臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)水平移動(dòng)作業(yè)[圖8（b）]。此外，機(jī)器人窗戶探測(cè)裝置可判別窗戶位置，進(jìn)而控制噴槍的開(kāi)關(guān)，以避免污染窗戶及浪費(fèi)涂料，而且工人也可以通過(guò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(duì)懸掛式外墻噴涂機(jī)器人做了進(jìn)一步的改進(jìn)研究[圖9（a）]，該機(jī)器人系統(tǒng)包含懸掛系統(tǒng)、機(jī)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(gè)與吊籃適配的懸掛機(jī)構(gòu)組成，承載量高達(dá)800kg，每個(gè)懸掛機(jī)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(jī)器人本體包括垂直提升裝置、雙噴槍裝置、水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)和狀態(tài)檢測(cè)裝置[圖9（c）]，提升裝置的驅(qū)動(dòng)輪與承重繩的咬合實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人本體的升降，雙噴槍裝置通過(guò)齒輪齒條移動(dòng)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)10m寬度的大噴涂范圍，這樣可省去懸掛機(jī)構(gòu)在水平方向的移動(dòng)；在穩(wěn)定調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，由于張力機(jī)的作用，傾斜的穩(wěn)定繩會(huì)對(duì)機(jī)器人本體產(chǎn)生一個(gè)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(jī)器人本體重力，m為機(jī)器人本體質(zhì)心：H為機(jī)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(jī)器人在爬升過(guò)程中能穩(wěn)定升降，而安全繩與機(jī)器人本體上的安全鎖相連，能防止機(jī)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(jī)器人結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，具有極大的商用潛力，但由于結(jié)構(gòu)特征的限制，機(jī)器人只能在垂直墻面作業(yè)，不能到達(dá)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(jī)構(gòu)無(wú)法架設(shè)等問(wèn)題。因此，提升外墻噴涂機(jī)器人的作業(yè)覆蓋率和實(shí)用性是后續(xù)主要的研究方向。

2.2.3 瓷磚鋪貼機(jī)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(zhuān)業(yè)人員施工，但傳統(tǒng)手工鋪貼存在施工周期長(zhǎng)、勞動(dòng)量大和工作效率低等問(wèn)題，而瓷磚鋪貼機(jī)器人不但能減少勞動(dòng)力，還能通過(guò)自動(dòng)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(duì)機(jī)器人的設(shè)計(jì)、控制和運(yùn)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(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)顯得尤為關(guān)鍵。瓷磚的定位技術(shù)能準(zhǔn)確檢測(cè)瓷磚的位置，從而提高鋪貼的質(zhì)量。此外，機(jī)器人鋪貼過(guò)程的軌跡規(guī)劃能降低鋪貼作業(yè)的時(shí)間，有利于進(jìn)一步提升工作效率[32]。因此，瓷磚鋪貼機(jī)器人的發(fā)展離不開(kāi)上述關(guān)鍵技術(shù)的研究。2014年，新加坡未來(lái)城市實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院開(kāi)發(fā)了一款包含六軸機(jī)械臂、吸盤(pán)抓取裝置和紅外定位儀器等部件的地磚鋪貼機(jī)器人MRT[圖10（a）]，該機(jī)器人不但能節(jié)省人力，還能精確計(jì)算鋪貼位置，保證鋪貼質(zhì)量，目前已進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段[33]。中國(guó)瓷磚鋪貼機(jī)器人的研發(fā)基本是參考MRT機(jī)器人原型，例如：2020年南京航天大學(xué)設(shè)計(jì)了一款地磚鋪設(shè)機(jī)器人系統(tǒng)，包含移動(dòng)平臺(tái)、抓取系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)[圖10（b）][34]。其中移動(dòng)平臺(tái)為基于 Mecanum 輪的全向移動(dòng)平臺(tái)，具有優(yōu)異的機(jī)動(dòng)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(jī)械臂、真空吸盤(pán)組件和視覺(jué)激光傳感器[圖10（c）]，不但能實(shí)現(xiàn)靈活抓取和鋪設(shè)瓷磚，還能精確檢測(cè)已鋪貼瓷磚的位姿，從而達(dá)到施工規(guī)范的要求；導(dǎo)航系統(tǒng)通過(guò)激光雷達(dá)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(jìn)的蟻群算法進(jìn)行路徑規(guī)劃，確保了機(jī)器人快速穩(wěn)定作業(yè)。經(jīng)過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)，地磚鋪貼機(jī)器人可以順利完成鋪貼工作，滿足實(shí)際功能需求[圖10（d）]。然而，目前市面上鋪貼機(jī)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(wèn)題[35]。因此，瓷磚鋪貼機(jī)器人的研發(fā)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮實(shí)用性和研發(fā)成本。

2.3其他新型施工機(jī)器人系統(tǒng)

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

2.3.1 3D 打印機(jī)器人

3D 建筑打印屬于新型的數(shù)字建造技術(shù)，在建造過(guò)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(dòng)打印機(jī)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(dòng)力等優(yōu)勢(shì)[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(jìn)展，其研究領(lǐng)域包括機(jī)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(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與打印質(zhì)量息息相關(guān)，是實(shí)現(xiàn)打印功能的重要載體[36-37]。2004 年 Khoshnevis[38] 設(shè)計(jì)了一款包含大型三維擠出裝置（類(lèi)似龍門(mén)吊車(chē)）和抹刀噴嘴組合機(jī)構(gòu)的“輪廓工藝”打印機(jī)器人[圖 11（a）]，打印機(jī)構(gòu)懸掛在建筑物上方，通過(guò)軌道裝置和伸縮臂控制噴嘴的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)精確的打印定位，該款機(jī)器人的工作效率達(dá)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(jìn)一步提升打印機(jī)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(jī)器人[11（b）]，通過(guò)纜索控制噴嘴的移動(dòng)，并用輕質(zhì)的剛性框架取代笨重的龍門(mén)框架，讓現(xiàn)場(chǎng)打印施工更加簡(jiǎn)便、實(shí)用。以上打印機(jī)器人都是基于框架結(jié)構(gòu)，機(jī)器人打印范圍受限，只適用于小區(qū)域建筑的打印?；诙鄼C(jī)協(xié)作的移動(dòng)式 Minibuilders 系統(tǒng)的研發(fā)能實(shí)現(xiàn)整棟建筑物的建造[圖11（c）]。該系統(tǒng)包含3款機(jī)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(shí)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(qiáng)混凝土、磷酸鹽水泥和納米黏土水泥等材料，以增強(qiáng)打印材料的密度和強(qiáng)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(xì)化等[37]。經(jīng)過(guò)近 20年的發(fā)展，3D 混凝土打印機(jī)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(guó)星級(jí)酒店和荷蘭混凝土橋梁等建筑的建造，未來(lái)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(cè)量機(jī)器人

建筑實(shí)測(cè)實(shí)量是提升房屋質(zhì)量的關(guān)鍵工序，工作量大，且工作進(jìn)度緊迫。傳統(tǒng)手工測(cè)量主要借助靠尺、寒尺、方尺和掃平儀等工具，對(duì)規(guī)范要求的點(diǎn)，線位置進(jìn)行測(cè)量，再通過(guò)人工記錄和比對(duì)完成測(cè)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(shí)測(cè)實(shí)量工序，自動(dòng)化實(shí)測(cè)實(shí)量技術(shù)受到廣泛研究。新型的建筑測(cè)量機(jī)器人利用三維激光掃描技術(shù)，由激光測(cè)距系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng)組成，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、運(yùn)算、繪圖制表和評(píng)分的全自動(dòng)化，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[42]。在開(kāi)展測(cè)量工作時(shí)，測(cè)量機(jī)器人的工作步驟包含：①按照預(yù)先計(jì)劃的站點(diǎn)位置，逐站進(jìn)行掃描獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)；②把獨(dú)立的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)人專(zhuān)用軟件進(jìn)行預(yù)處理和拼接，得到整體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型；③專(zhuān)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(duì)，自動(dòng)生成報(bào)表，完成實(shí)測(cè)實(shí)量任務(wù)（圖 12）[43]。為了證明測(cè)量機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)，中建二局分別采用自動(dòng)化測(cè)量和手工測(cè)量方法對(duì)沈陽(yáng)某工程進(jìn)行實(shí)測(cè)實(shí)量，并對(duì)比兩者的測(cè)量效果。測(cè)試結(jié)果顯示，相比于手工測(cè)量，測(cè)量機(jī)器人精度達(dá)到±1mm，高于手工測(cè)量的±3 mm 精度，測(cè)量效率提升 5倍，測(cè)量人數(shù)減少 66%，成本降低 50%，而且省去復(fù)測(cè)、復(fù)檢和數(shù)據(jù)整理等環(huán)節(jié)，可見(jiàn)與手工測(cè)量方法相比，自動(dòng)化測(cè)量方法更優(yōu)異[44]。然而，在測(cè)量機(jī)器人使用中，發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)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(chǎng)人員活動(dòng)范圍受限和設(shè)備成本過(guò)高等，這些問(wèn)題導(dǎo)致測(cè)量機(jī)器人難以推廣應(yīng)用，亟需解決。