面向工地作業(yè)環(huán)境的砌墻機(jī)器人研究

張英楠 汪小林 陳 澤 孟 浩 秦 川

1. 上海建工四建集團(tuán)有限公司 上海 201103;

2. 上海大界機(jī)器人科技有限公司 上海 201900

“十三五”時(shí)期，世界范圍內(nèi)的科技發(fā)展浪潮已逐漸從互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代邁向人工智能時(shí)代，各行業(yè)積極推動(dòng)智能技術(shù)融入產(chǎn)品加工制造過(guò)程中，涌現(xiàn)出無(wú)人工廠、無(wú)人碼頭、無(wú)人駕駛汽車(chē)、智能勘探機(jī)器人、智能家居設(shè)備等多種智能產(chǎn)品，為企業(yè)生產(chǎn)及人民生活帶來(lái)了極大便利[1]。作為長(zhǎng)期以來(lái)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，建筑業(yè)為我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)、健康、穩(wěn)定發(fā)展提供了有力支撐。通過(guò)行業(yè)從業(yè)者多年來(lái)的不斷探索與不懈努力，我國(guó)建造技術(shù)已發(fā)展成為世界一流水平，完成了多項(xiàng)舉世矚目的“世界工程”。但作為嚴(yán)重高度勞動(dòng)密集型行業(yè)，建筑業(yè)生產(chǎn)方式依然比較粗放，管理方式規(guī)范性較差，距離高質(zhì)量、高標(biāo)準(zhǔn)的行業(yè)發(fā)展要求仍存在較大差距，亟需推動(dòng)建筑業(yè)工業(yè)化、數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)展[2-3]。

近些年，隨著國(guó)家政策的深入落實(shí)與實(shí)際需求的不斷推動(dòng)，我國(guó)建筑機(jī)器人研發(fā)工作已逐漸開(kāi)展，包括輕鋼龍骨隔墻裝配機(jī)器人、地板鋪設(shè)機(jī)器人、碼磚機(jī)器人、瓷磚鋪貼機(jī)器人等工廠試驗(yàn)型產(chǎn)品[4-6]。然而，由于相關(guān)人才缺乏、理論體系不完善、技術(shù)水平不成熟等諸多問(wèn)題，我國(guó)建筑機(jī)器人的研發(fā)工作缺乏實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，仍停留在戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型升級(jí)的起步階段，缺少受市場(chǎng)廣泛認(rèn)可的建筑機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用型產(chǎn)品，因此，需要以建筑生產(chǎn)“提質(zhì)增效”為基本目標(biāo)，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用環(huán)境的難點(diǎn)問(wèn)題，開(kāi)展科學(xué)化、系統(tǒng)化的建筑機(jī)器人相關(guān)研究，并研發(fā)相應(yīng)建筑機(jī)器人裝備應(yīng)用產(chǎn)品。

鑒于上述背景，本文以砌墻機(jī)器人為研究對(duì)象，針對(duì)工地現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜多變的施工環(huán)境，開(kāi)展了面向現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)條件的砌墻機(jī)器人裝備研發(fā)與自動(dòng)砌墻技術(shù)研究，建立了具有越野性能的砌墻機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)以及高度智能化的自動(dòng)砌墻集成系統(tǒng)，研發(fā)了砌筑機(jī)器人整體裝備，并開(kāi)展了工廠實(shí)驗(yàn)室砌筑試驗(yàn)與工地現(xiàn)場(chǎng)樣板砌筑試驗(yàn)，驗(yàn)證了砌筑機(jī)器人裝備在施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的可行性與適用性。

1 砌墻機(jī)器人裝備構(gòu)成

針對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜作業(yè)環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)“定位—上磚—抹灰—擺磚”的自動(dòng)化砌筑全過(guò)程為基本目標(biāo)，本文提出的砌墻機(jī)器人裝備構(gòu)成主要分為以下四部分。

1.1 越障移動(dòng)底盤(pán)

砌墻機(jī)器人的可移動(dòng)性是保證其能在施工現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定工作的關(guān)鍵性能之一，如何適應(yīng)施工現(xiàn)場(chǎng)泥濘、坑洼、陡峭的惡劣地面條件以及大量的地面障礙物是工程師設(shè)計(jì)移動(dòng)底盤(pán)時(shí)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。鑒于此，本文提出的砌墻機(jī)器人移動(dòng)底盤(pán)采用了多舵輪系統(tǒng)，共有4個(gè)舵輪，每側(cè)2個(gè)，使用相同的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，并利用鋰電池為其供能，主要用于負(fù)載砌墻機(jī)械臂的移動(dòng)，如圖1所示。

圖1 多舵輪移動(dòng)底盤(pán)

為了增加越野與避障能力，移動(dòng)底盤(pán)的舵輪使用了充氣橡膠輪，與傳統(tǒng)的麥克納姆輪相比，顯著提升了克服障礙物干擾的能力，增加了移動(dòng)敏捷性。此外，移動(dòng)底盤(pán)還使用了差速驅(qū)動(dòng)的控制機(jī)制，可使4個(gè)舵輪同時(shí)全向移動(dòng)。與Ackermann驅(qū)動(dòng)等其他驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相比，差速驅(qū)動(dòng)可使移動(dòng)底盤(pán)沿任何所需的路徑與方向移動(dòng)，其基本機(jī)制主要有以下三點(diǎn)：

1）為了實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎（零半徑轉(zhuǎn)彎），2個(gè)舵輪應(yīng)具有相同的速度，但方向相反。

2）為了沿當(dāng)前方向線性移動(dòng)，2個(gè)舵輪應(yīng)具有相同的速度。

3）對(duì)于彎曲的運(yùn)動(dòng)路徑，舵輪的速度是線速度值與角速度值的組合。

經(jīng)測(cè)試，此移動(dòng)底盤(pán)具有越障高度大于4 cm的越野能力，能夠滿足大多數(shù)工地場(chǎng)景下的移動(dòng)條件。

1.2 自動(dòng)上磚裝置

砌墻機(jī)器人自動(dòng)砌筑過(guò)程中，上磚是必不可少的關(guān)鍵動(dòng)作。為了實(shí)現(xiàn)砌筑過(guò)程中的自動(dòng)化上磚，本文提出了包含運(yùn)輸?shù)妆P(pán)（與上述移動(dòng)底盤(pán)一致，同為多舵輪系統(tǒng)）、2條傳送帶、激光定位模組等部件的自動(dòng)上磚與磚塊定位系統(tǒng)，以作為砌墻機(jī)器人的自動(dòng)上磚裝置，如圖2所示。

圖2 自動(dòng)上磚與磚塊定位系統(tǒng)

1.3 自動(dòng)抹灰裝置

自動(dòng)抓取磚塊后，砌墻機(jī)器人需要進(jìn)行抹灰工作。本文提出的自動(dòng)抹灰裝置與上述自動(dòng)上磚裝置組合成一個(gè)整體，通過(guò)人工將磚塊放置于傳送帶上，輸送至指定位置后，利用機(jī)械臂抓取磚塊至砂漿泵出口，使用螺桿式砂漿泵送裝置泵送成品黏結(jié)砂漿至磚面上，完成自動(dòng)抹灰動(dòng)作，如圖3所示。

圖3 螺桿式砂漿泵送及抹灰裝置

1.4 砌墻機(jī)械臂

砌墻機(jī)械臂是本文提出的砌墻機(jī)器人裝備核心，負(fù)責(zé)磚塊的自動(dòng)抓取、自動(dòng)抹灰與自動(dòng)擺放。砌墻機(jī)械臂采用六軸機(jī)械臂，能夠?qū)崿F(xiàn)多自由度的位姿調(diào)整，此外，機(jī)械手附帶2塊非真空海綿吸盤(pán)，可適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)尺寸的非空心砌塊磚，同時(shí)，底部配置了自調(diào)平底盤(pán)，可實(shí)現(xiàn)砌墻機(jī)械臂的快速調(diào)平與機(jī)械手的精準(zhǔn)定位。

綜上，越障移動(dòng)底盤(pán)、自動(dòng)上磚裝置、自動(dòng)抹灰裝置與砌墻機(jī)械臂共同組成砌墻機(jī)器人整體裝備，如圖4所示。

圖4 砌墻機(jī)器人整體裝備

2 砌墻機(jī)器人自動(dòng)砌筑技術(shù)

施工現(xiàn)場(chǎng)存在大量的碎片導(dǎo)致計(jì)算量增加，而使生產(chǎn)效率降低。為了使機(jī)器人能夠精確導(dǎo)航至已分配的目標(biāo)位置，首先需要解決其定位問(wèn)題。此外，建立砌筑動(dòng)作自動(dòng)控制算法是砌墻機(jī)器人完成“定位—上磚—抹灰—擺磚”全過(guò)程自動(dòng)砌筑的另一關(guān)鍵。鑒于此，基于上述提出的砌墻機(jī)器人整體裝備，本文提出了砌墻機(jī)器人高精度定位與導(dǎo)航技術(shù)以及虛擬砌筑技術(shù)，通過(guò)內(nèi)嵌智能控制算法的控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)砌墻機(jī)器人的自主行走與自動(dòng)砌筑。

2.1 高精度定位與導(dǎo)航技術(shù)

機(jī)器人的定位與導(dǎo)航是指機(jī)器人在某一未知環(huán)境中從某一點(diǎn)開(kāi)始移動(dòng)，在移動(dòng)過(guò)程中根據(jù)位姿估計(jì)與地圖進(jìn)行定位，并構(gòu)建增量式地圖完成路徑規(guī)劃[7]。目前，Slam視覺(jué)已成為機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主移動(dòng)的基礎(chǔ)技術(shù)[8]。在砌墻機(jī)器人砌筑時(shí)，Slam視覺(jué)可實(shí)時(shí)感知機(jī)器人位置，使機(jī)器人向目標(biāo)位置自主移動(dòng)。現(xiàn)有的Slam視覺(jué)開(kāi)源算法包括Gmapping算法、Hector Slam算法與Cartographer算法。其中，Gmapping算法是目前應(yīng)用最為廣泛的二維Slam算法，其利用粒子濾波器實(shí)時(shí)構(gòu)建室內(nèi)地圖，在構(gòu)建小場(chǎng)景地圖時(shí)所需的計(jì)算量較小且精度較高，但隨著場(chǎng)景增大，所需粒子增加導(dǎo)致內(nèi)存與計(jì)算量增加，因此，不適合構(gòu)建大場(chǎng)景地圖。此外，Gmapping算法嚴(yán)重依賴?yán)锍逃?jì)，無(wú)法適應(yīng)地面不平坦的區(qū)域，難以適用于砌墻機(jī)器人施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用環(huán)境。Hector Slam算法則無(wú)需使用里程計(jì)，具備在不平坦區(qū)域?qū)崿F(xiàn)地圖構(gòu)建的可行性。該算法利用已經(jīng)獲得的地圖對(duì)激光束點(diǎn)陣進(jìn)行優(yōu)化，估計(jì)激光點(diǎn)在地圖中的表示與占據(jù)網(wǎng)絡(luò)的概率，但需要配備高更新頻率、測(cè)量噪聲小的激光掃描儀，并且要求機(jī)器人移動(dòng)始終保持較低速度。Cartographer算法采用目前主流的特征提取、閉環(huán)檢測(cè)與后端優(yōu)化的三段式Slam框架，利用掃描匹配技術(shù)，獲得的每一幀激光掃描數(shù)據(jù)會(huì)在最佳估計(jì)位置處插入子圖中，在生成一個(gè)子圖后，均會(huì)進(jìn)行一次局部回環(huán)，并利用分支定位與預(yù)先計(jì)算的網(wǎng)格，待所有子圖完成后會(huì)進(jìn)行全局回環(huán)。該算法避免了里程計(jì)依賴與機(jī)器人移動(dòng)速度限制，適用于室外、大場(chǎng)景、不平坦區(qū)域的機(jī)器人定位與導(dǎo)航。因此，本文將Cartographer算法作為砌墻機(jī)器人高精度定位與導(dǎo)航的核心算法。

此外，本文將ROS導(dǎo)航作為砌墻機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，結(jié)合Cartographer算法，ROS導(dǎo)航可根據(jù)地圖信息與障礙物位置、形狀、速度限制、機(jī)器人體積等其他參數(shù)，自動(dòng)搜尋機(jī)器人高效移動(dòng)路徑，并使機(jī)器人自動(dòng)從給定的地圖位置移動(dòng)到定義的目標(biāo)點(diǎn)。圖5為利用ROS導(dǎo)航控制砌墻機(jī)器人自主移動(dòng)示意。

圖5 砌墻機(jī)器人自動(dòng)定位、路徑規(guī)劃與導(dǎo)航

2.2 虛擬砌筑技術(shù)

砌墻機(jī)器人在開(kāi)展實(shí)際砌筑工作前，需要在軟件中完成虛擬砌筑，以模擬實(shí)際砌筑路徑、砌筑速度與砌筑效果（圖6）。本文提出的虛擬砌筑技術(shù)是基于Rhino軟件建立的，砌磚模型與砌筑路徑可在Rhino軟件中自動(dòng)生成，完成自動(dòng)上磚與抹灰。當(dāng)砌墻機(jī)器人完成一個(gè)移動(dòng)操作時(shí)，可根據(jù)平鋪方向、操作編號(hào)與圖塊大小為下一個(gè)平鋪位置生成目標(biāo)點(diǎn)。如果下一個(gè)平鋪位置在同一行中，則砌墻機(jī)器人將根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)的位置向前或向后移動(dòng)。如果當(dāng)前操作單位是該行的最后一個(gè)單位，且砌墻機(jī)器人需要切換到下一行，則將生成一系列路點(diǎn)，并自動(dòng)命令砌墻機(jī)器人以相應(yīng)順序到達(dá)這些路點(diǎn)。其中，分配多個(gè)路點(diǎn)可確保砌墻機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中避免途經(jīng)先前放置的磚塊，切換行的移動(dòng)方向也能夠使平鋪過(guò)程更加流暢與高效。

圖6 基于Rhino的砌墻機(jī)器人虛擬砌筑

3 工廠實(shí)驗(yàn)室砌筑試驗(yàn)

基于上述提出的砌墻機(jī)器人裝備及其自動(dòng)砌筑技術(shù)，本文開(kāi)展了工廠實(shí)驗(yàn)室砌筑試驗(yàn)，以測(cè)試砌墻機(jī)器人的基本功能與墻體砌筑質(zhì)量。砌筑試驗(yàn)將清水磚作為砌筑材料，試砌直墻，試驗(yàn)效果如圖7與圖8所示。結(jié)果表明，砌墻機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)自主導(dǎo)航與定位、自動(dòng)抓磚、自動(dòng)抹灰、自動(dòng)擺磚的自動(dòng)化砌筑工作流程，砂漿飽和度實(shí)測(cè)值達(dá)到95%，砌筑墻體平整度與垂直度偏差分別為2.5 mm與3.5 mm，均滿足相關(guān)施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范要求。

圖7 砌墻機(jī)器人抹灰測(cè)試

圖8 工廠實(shí)驗(yàn)室砌筑試驗(yàn)墻體

4 工地現(xiàn)場(chǎng)樣板砌筑試驗(yàn)

基于上述工廠實(shí)驗(yàn)室砌筑試驗(yàn)結(jié)果，為了進(jìn)一步測(cè)試砌墻機(jī)器人在真實(shí)施工場(chǎng)景中的適應(yīng)性與穩(wěn)定性，在某實(shí)際工程的施工現(xiàn)場(chǎng)，開(kāi)展了工地現(xiàn)場(chǎng)樣板砌筑試驗(yàn)。砌筑試驗(yàn)仍以清水磚為砌筑材料，試砌略帶弧度的清水墻，現(xiàn)場(chǎng)砌筑過(guò)程與樣板試驗(yàn)效果分別如圖9與圖10所示。

圖9 砌墻機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)砌筑

圖10 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)砌筑墻體

結(jié)果表明，面對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜多變的工作環(huán)境，砌墻機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)越障移動(dòng)，并完成自動(dòng)抓磚、自動(dòng)抹灰、自動(dòng)擺磚等一系列自動(dòng)砌筑動(dòng)作，同時(shí)墻體砌筑質(zhì)量與工廠實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果基本保持一致，節(jié)省了砌筑人工與時(shí)間成本。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出的砌墻機(jī)器人具備自主移動(dòng)、自動(dòng)抓磚等智能化砌筑功能，可實(shí)現(xiàn)“定位—上磚—抹灰—擺磚”的全過(guò)程自動(dòng)化砌筑，其砌筑質(zhì)量滿足相關(guān)規(guī)范要求，砌筑效率較人工相比有所提高，并且能夠適應(yīng)施工現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜場(chǎng)地環(huán)境，具有未來(lái)市場(chǎng)化推廣的可能。