面向工地作业环境的砌墙机器人研究.docx

? ? 面向工地作业环境的砌墙机器人研究 ? ? 张英楠 汪小林 陈 泽 孟 浩 秦 川 1. 上海建工四建集团有限公司 上海 201103; 2. 上海大界机器人科技有限公司 上海 201900 “十三五”时期，世界范围内的科技发展浪潮已逐渐从互联网时代迈向人工智能时代，各行业积极推动智能技术融入产品加工制造过程中，涌现出无人工厂、无人码头、无人驾驶汽车、智能勘探机器人、智能家居设备等多种智能产品，为企业生产及人民生活带来了极大便利[1]。作为长期以来国民经济的支柱产业，建筑业为我国经济持续、健康、稳定发展提供了有力支撑。通过行业从业者多年来的不断探索与不懈努力，我国建造技术已发展成为世界一流水平，完成了多项举世瞩目的“世界工程”。但作为严重高度劳动密集型行业，建筑业生产方式依然比较粗放，管理方式规范性较差，距离高质量、高标准的行业发展要求仍存在较大差距，亟需推动建筑业工业化、数字化、智能化转型升级发展[2-3]。 近些年，随着国家政策的深入落实与实际需求的不断推动，我国建筑机器人研发工作已逐渐开展，包括轻钢龙骨隔墙装配机器人、地板铺设机器人、码砖机器人、瓷砖铺贴机器人等工厂试验型产品[4-6]。然而，由于相关人才缺乏、理论体系不完善、技术水平不成熟等诸多问题，我国建筑机器人的研发工作缺乏实质性进展，仍停留在战略转型升级的起步阶段，缺少受市场广泛认可的建筑机器人现场应用型产品，因此，需要以建筑生产“提质增效”为基本目标，针对现场应用环境的难点问题，开展科学化、系统化的建筑机器人相关研究，并研发相应建筑机器人装备应用产品。 鉴于上述背景，本文以砌墙机器人为研究对象，针对工地现场复杂多变的施工环境，开展了面向现场施工作业条件的砌墙机器人装备研发与自动砌墙技术研究，建立了具有越野性能的砌墙机器人移动系统以及高度智能化的自动砌墙集成系统，研发了砌筑机器人整体装备，并开展了工厂实验室砌筑试验与工地现场样板砌筑试验，验证了砌筑机器人装备在施工现场作业的可行性与适用性。 1 砌墙机器人装备构成 针对施工现场的复杂作业环境，以实现“定位—上砖—抹灰—摆砖”的自动化砌筑全过程为基本目标，本文提出的砌墙机器人装备构成主要分为以下四部分。 1.1 越障移动底盘 砌墙机器人的可移动性是保证其能在施工现场稳定工作的关键性能之一，如何适应施工现场泥泞、坑洼、陡峭的恶劣地面条件以及大量的地面障碍物是工程师设计移动底盘时重点关注的问题。鉴于此，本文提出的砌墙机器人移动底盘采用了多舵轮系统，共有4个舵轮，每侧2个，使用相同的电动机驱动，并利用锂电池为其供能，主要用于负载砌墙机械臂的移动，如图1所示。 图1 多舵轮移动底盘 为了增加越野与避障能力，移动底盘的舵轮使用了充气橡胶轮，与传统的麦克纳姆轮相比，显著提升了克服障碍物干扰的能力，增加了移动敏捷性。此外，移动底盘还使用了差速驱动的控制机制，可使4个舵轮同时全向移动。与Ackermann驱动等其他驱动机构相比，差速驱动可使移动底盘沿任何所需的路径与方向移动，其基本机制主要有以下三点： 1）为了实现原地转弯（零半径转弯），2个舵轮应具有相同的速度，但方向相反。 2）为了沿当前方向线性移动，2个舵轮应具有相同的速度。 3）对于弯曲的运动路径，舵轮的速度是线速度值与角速度值的组合。 经测试，此移动底盘具有越障高度大于4 cm的越野能力，能够满足大多数工地场景下的移动条件。 1.2 自动上砖装置 砌墙机器人自动砌筑过程中，上砖是必不可少的关键动作。为了实现砌筑过程中的自动化上砖，本文提出了包含运输底盘（与上述移动底盘一致，同为多舵轮系统）、2条传送带、激光定位模组等部件的自动上砖与砖块定位系统，以作为砌墙机器人的自动上砖装置，如图2所示。 图2 自动上砖与砖块定位系统 1.3 自动抹灰装置 自动抓取砖块后，砌墙机器人需要进行抹灰工作。本文提出的自动抹灰装置与上述自动上砖装置组合成一个整体，通过人工将砖块放置于传送带上，输送至指定位置后，利用机械臂抓取砖块至砂浆泵出口，使用螺杆式砂浆泵送装置泵送成品黏结砂浆至砖面上，完成自动抹灰动作，如图3所示。 图3 螺杆式砂浆泵送及抹灰装置 1.4 砌墙机械臂 砌墙机械臂是本文提出的砌墙机器人装备核心，负责砖块的自动抓取、自动抹灰与自动摆放。砌墙机械臂采用六轴机械臂，能够实现多自由度的位姿调整，此外，机械手附带2块非真空海绵吸盘，可适应标准尺寸的非空心砌块砖，同时，底部配置了自调平底盘，可实现砌墙机械臂的快速调平与机械手的精准定位。 综上，越障移动底盘、自动上砖装置、自动抹灰装置与砌墙机械臂共同组成砌墙机器人整体装备，如图4所示。 图4 砌墙机器人整体装备 2 砌墙机器人自动砌筑技术 施工现场存在大量的碎片导致计算量增加，而使生产效率降低。为了使机器人能够精确导航至已分配的