建筑工程复杂环境下物料搬运方法研究

　　马烨霖　李晓文　路景顺　吴万超　王宇鑫

　　中建一局集团第三建筑有限公司，北京 100161

　　摘要：随着建筑领域的绿色化、工业化和智能化发展，智能建造成为推动建筑业高质量发展的时代要求，建筑机器人技术的研究也推动了建筑企业朝着高效、可持续的方向转型升级。搬运机器人在制造业、仓储业等领域有广泛应用，但是这些领域现有的搬运机器人需要较为固定和高质量的周边环境和地面环境，无法适用于施工现场复杂、多变场景。

　　关键词：智能建造；复杂环境；智能化；搬运机器人　　文献标识码：A　　中图分类号：TU754

　　文章编号：2096-4137（2023）17-19-03　　DOI ：10.13535/j.cnki.10-1507/n.2023.17.03

　　城市的建设离不开建筑施工，在施工时需要将大量的材料送至施工现场，由于施工现场道路不通畅，车辆只能将物料送至施工现场的门口，剩下的物料需要人工搬运至施工处，所以工人通常采用搬运车协助进行物料搬运，这些工作会耗费大量的人力资源。利用机器人进行物料搬运能解放大量的劳动力，减少工人因长期疲劳作业而产生的安全隐患，不仅可以减少人力成本，而且可以提升工作效率，因此施工现场智能物料运输的研究与实现尤为重要。

　　1　研究现状

　　如今，机器人已经历数十年发展，各国也相继研发了不同种类的机器人。例如，德国卡尔斯鲁厄理工学院研发出首台砌筑机器人Rocco，开拓了德国建筑机器人研究的道路；瑞典Husqvarna 公司研发的DXR-310 型遥控清拆机器人可用于废弃建筑物的拆除工作。国外最先开始研究应用于物料搬运的机器人是在20 世纪60 年代，Unimation 公司研制并生产了用于搬运作业的两款机器人，即Versatran 机器人与 Unimate 机器人，这是首次将机器人引入物料搬运工作，但并没有实现移动搬运。20 世纪70 年代，半导体技术的革新与运动控制技术的发展推动了电机驱动与控制行业的变革，使得机器人更加自主、灵活与实用。1973 年，瑞典VOLVO 公司开始在汽车装配厂中引入群体AGV 参与搬运工作。在作业过程中，机器人可以灵活便捷地实现物料搬运，显著地提高了生产效率。随着计算机技术、传感器技术等各种智能技术的不断发展及研究人员的不懈努力，国内机器人研究也取得了很大的成就，技术逐渐成熟，逐渐走向智能化，机器人的发展与应用得到快速成长，各种类型的搬运机器人出现在大众视野并广泛应用于服务业、工业及军事领域中。近年来，建筑机器人逐渐填补了行业空白，目前主要集中于各类工序的机器人研发，但在施工阶段物料搬运的运用还处于空白。

　　2　项目现状与需求

　　建筑施工零散物料搬运是建筑施工过程中必不可少的一环，针对施工阶段的零散物料搬运情况进行数据统计与分析，发现主体结构阶段有架管和钢筋，二次结构、装饰装修及机电安装阶段有大量的零散材料，如石膏、砂浆、涂料、钢丝网、地砖、支架等。目前，零散物料搬运主要依靠人工完成，由于零散物料体积较小、重量不大，因此搬运难度相对较小，但也需要一定的劳动力和时间成本。同时，由于零散物料种类繁多，管理难度较大，容易出现混乱和遗漏。随着建筑施工规模的不断扩大和施工现场的复杂化，对零散物料搬运的需求也在不断增加。为了提高工作效率和减少人力成本，许多建筑施工单位开始引进机械化设备，如小型叉车、手推车等，用于零散物料的搬运。

　　3　建筑工程复杂环境下物料搬运机器人设计要点分析

　　3.1　总体设计方案

　　3.1.1　自由度和坐标系的选择

　　该机器人采用麦克纳姆轮作为驱动轮，使其快捷地应对复杂的环境，灵活方便地实现全方位移动功能，设有360 度摄像头，可无盲点监测覆盖并拥有全景视图。利用单片机通过软件控制步进电机并装有反馈机制，更好地挖掘电机的潜力，从而实现机器人每一步的精准控制。该机器人整体结构紧凑，使用方便，省去双重动作所需的附加结构，提高了液压控制系统的自动化控制水平，可自主定位及避障，全程无人工操作，安全可靠，方便快捷。此外，还融入openCV 视觉识别算法，实现了物体精准定位。基于五自由度串联机器人可达到对人手臂的较好模拟，实现多种位姿，同时结构相对简单，能实现良好的搬运能力，而电机驱动可使搬运机器人拥有较好的响应特性与定位精度，是目前市场上灵活度、实用度较强的机器人种类，且拥有较大的工作空间，故拟定设计一种电机驱动的五自由度串联机器人实现搬运功能。

　　3.1.2　搬运机器人的组成

　　搬运机器人由底座、底盘、大臂、肘关节、小臂、腕部、末端操作器等主体部件，以及防尘盖、法兰盘等零件组成。选型组件有RV 精密摆线针轮减速机、行星减速机、伺服电机及三相步进电机等组件。为减轻机器人整体重量同时保证应有刚度，主体部件的材料选用铝合金，由于这些零件大多具有内部结构，且具有曲面，故加工方法选择铸造，部分孔轴配合面和法兰连接面根据需要进行加工。

　　3.2　搬运机器人的结构设计及计算

　　3.2.1　末端操作器的设计

　　搬运机器人在工作时要求具备较好的机动性能与柔性，能时刻保持工作过程的稳定，保证被夹持物体的正确位姿。搬运机器人机械手部设计需满足如下要求：

　　（1）设计结构简洁，易于加工装配，能够实现机械手部夹持运动功能。

　　（2）夹紧过程运动平稳，无冲击，保证加持物体的整体形貌与结构。

　　（3）控制安全可靠，不发生夹持力不够手部振动情况，拥有断电刹车功能保证人员安全。

　　（4）夹持物体迅速，满足生产实际的效率需求。

　　考虑到载荷的大小为3kg，以及气压液压夹爪对气源/ 液源和管路的要求，设计以电机驱动的二指夹爪，因为由电机驱动，该夹爪具有传动平稳、响应特性优良、夹持力大小可控等优点。普通电机其机轴连接丝杠需要连接装置且占用空间较大，轴因长度问题易导致刚度降低，易影响传动平稳性。故该操作器设计选用丝杆步进电机进行驱动，螺母选用滚珠丝杠螺母以降低丝杠传动的摩擦。由于滚珠丝杠不能自锁，故在设计夹指时，将前端夹指与丝杠螺母通过连杆进行连接，限制螺母绕轴向的转动。通过电机驱动螺杆进行转动达到螺母沿轴向的上下移动，以实现夹爪张闭，夹持搬运物体。当夹爪夹持物体即螺母受到沿轴向载荷时，步进电机的静力矩可使螺母固定在当前位置，保持夹爪的开合程度。

　　3.2.2　各关节传动方案的设计

　　腰部、肩部及肘部是五自由度机器人负载最大、运动最多、损耗较大，同时也是最易产生问题的3 个关节。在这 3 个关节电机的选择上，开环控制的步进电机首先在控制精度上劣于伺服电机，其次步进电机是恒功率电机，受其距频特性影响其转速越快，其扭矩越低，越难以在高速运转时获得较大的扭矩，且其转子转动惯量普遍大于伺服电机，动态特性一般，虽然其具有价格优势，且不会进行误差累计，但步进电机在体积和重量上没有优势。

　　3.3　控制方案

　　手动装卸控制器的信号转换系统以编程逻辑控制器为中枢，并在机器人、编程逻辑控制器和计算机数字控制中间通过信息。而编程逻辑控制器则是控制器的主工作站，并利用工业以太网总线通道与从站的机器人和计算机数字控制相互之间提供数据通信。建筑机器人侧流程控制要求信息经由工业以太网发送到总流控制单元，由编程逻辑控制器经过逻辑处理过程后，再传递流程控制命令至计算机数字控制侧；由计算机数字控制运行并完成任务后，反馈信息给编程逻辑控制器，经编程逻辑控制器处理过后的结果再传送给机器人，从而开始业务流程的下一步。各工作单元间利用数据互动，循环实现自动装卸流程。中央监控室内连接在以太网的计算机终端，通过视窗控制中心软件平台实时动态地显示网络设备的工作状况、技术参数和故障数据，远程监控生产线的启停并调整需求类型。西门子S7-100 编程逻辑控制器的中央处理器还整合了网口，提供了10 ～ 100Mbit/s 的RJ 四十五接口和电缆交叉自适应，并提供了基于传输控制协议或网际协议的通信标准。ABBIRB10 建筑机器人使用的标准输入或输出板DSQC65，支持现场总线标准总线通信，可以直接与使用扩展的现场总线标准输入或输出模块和外围器材通信。将工业以太网远程输入或输出模块和现场总线标准模块的输入或输出端口之间通过点对点方法相连，有效克服了与这两种工业连接平台完全不同的设备之间正常通信的问题，从而实现这种工业连接平台的自由切换。

　　4　物料搬运方法研究

　　机器人控制路径的选择与实现涉及多项技术内容，往往需要技术团队综合各类考量，选择最优化技术路径，实现控制效果与技术成本兼顾，经过技术积累和实践摸索，国内机器人研发机制日益成熟，在控制系统设置方面获得长足发展。由项目普遍现状来看，在施工条件下，物料搬运方法的研究主要集中在提高效率、降低人工成本方面。本文提出将搬运机器人运用到建筑施工阶段，通过激光雷达等多传感融合技术，以及机械设计、电气设计、软件开发等多学科交叉，对机器人本体系统、局域网、监控、导航定位、自动充电和车载安全避障6 个部分进行系统研究，目的是研发一款适用于建筑工地零散材料搬运的机器人，可以帮助管理人员更好地跟踪和控制零散物料的流动。搬运机器人是一种可以代替人工完成物料搬运的机器人，它能够在建筑施工现场、仓库等环境中自主行动，实现物料搬运的操作。目前，搬运机器人的物料搬运方法主要有以下5 种：

　　（1）视觉识别和定位。搬运机器人作为机器人科学的一个重要分支，其发展趋势是由于自动化技术的发展而出现的。在机器人中引入视觉系统，既可以提升其智能水平，又可以改善其对环境的适应性和自主性，在搬运机器人的研究中，抓取与处理是一个重要方向。搬运机器人通过装载在机器人上的视觉传感器，可以识别并定位物料的位置和大小，以便进行精确的搬运操作。

　　（2）机器人臂搬运。搬运机器人的机器人臂可以根据物料的重量和形状进行自主调整，实现精准的搬运操作。

　　（3）激光导航和避障。搬运机器人可以通过激光传感器实现自主导航和避障，确保在复杂的环境中安全地运输物料。

　　（4）自适应控制。搬运机器人可以根据不同物料的特性和重量，自适应地调整搬运速度和搬运方式，从而更好地保护物料。

　　（5）系统集成和协同控制。搬运机器人可以与其他机器人或系统进行协同控制，实现更高效的物料搬运操作。

　　5　结语

　　搬运机器人的研发是响应国家建筑业智能化转型倡议，有助于提高机器人在建筑工程领域的应用水平，推动“智慧工地”发展。搬运机器人可减少现场工人、车辆倒运投入，同时通过装载车和运输车分离和搬运优化，减少运输车数量投入，切实解决建筑工地现场“小、多、散”物料搬运带来的一系列问题，具有良好的经济和社会效益。

　　作者简介：马烨霖（1994-），女，浙江宁波人，中建一局集团第三建筑有限公司专业技术人员，工程师，研究方向：工程技术。

　　参考文献

　　[1] 周炎生．建筑机器人发展与关键技术综述[J]．机电信息，2020（8）：109-111．

　　[2] 张皓涵．建筑施工机器人技术的应用与发展[J]．广东建材，2021，37（8）：74-78．

　　[3]MARTINEZ B H，HERRERO P D．Development of a flexible AGV for flexible manufacturing systems[J]．In dustrial Robot: An International Journal，2010，37（5）： 459-468．

　　（责任编辑：葛　佳）

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