張佳樂， 駱漢賓， 尹紫微

(華中科技大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院, 湖北 武漢 430074)

建造機(jī)器人的早期研究和實(shí)踐可追溯至20世紀(jì)70年代，隨著人口逐步老齡化、施工規(guī)模復(fù)雜性提高以及對建造效率和工人安全與健康的日益關(guān)注，該技術(shù)的開發(fā)被認(rèn)為是提高建筑業(yè)生產(chǎn)力的重要途徑之一[1]。2017年全球建筑機(jī)器人的市場規(guī)模為2.00億美元，2018年上升至2.44億美元。但建造機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用市場處于培育期(僅為建筑工作量的1%)，尚未真正滲透進(jìn)入建筑工地各生產(chǎn)環(huán)節(jié)[2]。表1說明了一些研究機(jī)構(gòu)對于建造機(jī)器人的研究與應(yīng)用情況，可以推斷出建造機(jī)器人將是一個(gè)持續(xù)發(fā)展的必要性問題。顯然，目前建造機(jī)器人實(shí)際現(xiàn)狀與理論描述場景大相徑庭。

表1 全球具有代表性的建筑機(jī)器人介紹

目前已經(jīng)存在大量與機(jī)器人有關(guān)的文章，這些研究成果可作為推動(dòng)機(jī)器人發(fā)展的基礎(chǔ)。因此，對于進(jìn)行相關(guān)研究的研究者與工程師來說，對建造機(jī)器人進(jìn)行系統(tǒng)性分析從而明確建造機(jī)器人未來研究趨勢十分必要。目前關(guān)于機(jī)器人的研究綜述較少，主要集中在特定的研究應(yīng)用方面，并未對機(jī)器人進(jìn)行系統(tǒng)性的全面分析。例如，Cai等[1]以高層建筑建設(shè)為重點(diǎn)，探索了自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)的學(xué)術(shù)研究和實(shí)際應(yīng)用的發(fā)展；Petersen等[3,4]關(guān)注于自動(dòng)構(gòu)建遠(yuǎn)大于單個(gè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的集體機(jī)器人建造系統(tǒng)。V?h? 等[5]則從建筑施工階段的角度對用于建筑施工自動(dòng)化的潛在傳感器技術(shù)進(jìn)行調(diào)查。

與之前的綜述相比，本文的貢獻(xiàn)如下：(1)涵蓋了將機(jī)器人應(yīng)用于建設(shè)全壽命周期所面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)；(2)提供了與機(jī)器人發(fā)展相關(guān)的應(yīng)用與技術(shù)研究方向。這不但可以幫助新研究人員對機(jī)器人建立更全面的認(rèn)知，還可以為研究人員與工程師提供研究機(jī)會(huì)以填補(bǔ)研究與應(yīng)用之間的空白。

本文的其余部分結(jié)構(gòu)如下：第二部分介紹了一種利用WOS(Web of Science)與Citespace共同進(jìn)行文本挖掘與計(jì)量分析的方法；第三部分對文獻(xiàn)進(jìn)行收集并從文獻(xiàn)發(fā)表年份、研究機(jī)構(gòu)、文章作者、期刊名稱、主題演化和研究共詞網(wǎng)絡(luò)演化過程這些方面進(jìn)行了概述與分析；第四部分從建設(shè)全壽命周期過程的角度進(jìn)行，明確機(jī)器人在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段、建造施工階段和監(jiān)測回收階段中扮演的不同角色以及貫穿其中的技術(shù)與應(yīng)用挑戰(zhàn)；第五部分從研究與應(yīng)用兩個(gè)方面對機(jī)器人所面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行闡述；第六部分則是根據(jù)挑戰(zhàn)內(nèi)容提出兩個(gè)主要研究方向；最后做出總結(jié)，肯定機(jī)器人這一新型建造方式的優(yōu)越性并闡明了其未來發(fā)展趨勢。

1 研究方法

本研究采用Thomson Reuters的WOS核心數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)源，使用科學(xué)計(jì)量分析工具Citespace對建造機(jī)器人及自動(dòng)化建造相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了檢索。圖1為本研究綜述的主要過程，第一個(gè)步驟旨在收集充分?jǐn)?shù)量的有關(guān)于建造機(jī)器人的發(fā)表文獻(xiàn)。利用合理搜索式、時(shí)間跨度、文獻(xiàn)類型、語言等條件初步搜索出符合標(biāo)準(zhǔn)的303篇文獻(xiàn)。第二階段則是根據(jù)出版社名稱與作者對于文章關(guān)鍵詞、摘要與內(nèi)容的瀏覽結(jié)果，篩選出110篇符合本次研究主題的高質(zhì)量文獻(xiàn)進(jìn)行分析。最后從研究與應(yīng)用的角度提出了相應(yīng)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，可對未來關(guān)于建造機(jī)器人的研究工作提供一定指導(dǎo)。

圖1 研究方法概述

2 數(shù)據(jù)分析

最早關(guān)于建造機(jī)器人的研究出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代末，日本的清水公司及其他承辦商在進(jìn)行大型建筑和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目時(shí)發(fā)現(xiàn)了建造機(jī)器人的巨大潛力。1978年，在貿(mào)易工業(yè)部的指導(dǎo)下，日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)(Japan Robot Association，JARA)成立了一個(gè)由長谷川雄教授領(lǐng)導(dǎo)的委員會(huì)，以分析這類應(yīng)用以及自動(dòng)化系統(tǒng)和機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。該委員會(huì)迅速發(fā)展并提出了新概念，逐步建立和研究具體項(xiàng)目和機(jī)器人系統(tǒng)。1982年首次進(jìn)行了建筑施工實(shí)驗(yàn)，首臺(tái)機(jī)器人SSR-I被應(yīng)用于建筑墻體噴涂防火涂料作業(yè)之中。1985年，提出了集成機(jī)器人現(xiàn)場建造的概念，即在施工現(xiàn)場集成機(jī)器人和其他基本技術(shù)。至此，建筑機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展得到了推進(jìn)[6,7]。

2.1 文章發(fā)表概述

圖2表明目前對于建造機(jī)器人的相關(guān)研究處于整體上升的趨勢，得到國內(nèi)外各領(lǐng)域?qū)W者的重視，平均年發(fā)文量為5篇。從發(fā)文數(shù)量可以將其劃分為2個(gè)階段，其中，1998—2003年是探索階段，發(fā)文量較少且波動(dòng)較明顯；2003—2019年是快速發(fā)展階段，發(fā)文數(shù)量增加幅度較上一階段快，此期間發(fā)文數(shù)量均為穩(wěn)定且發(fā)文數(shù)量明顯高于平均水平，說明該領(lǐng)域得到了學(xué)者們的普遍關(guān)注，逐漸成為建筑行業(yè)目前的研究發(fā)展熱點(diǎn)之一。

圖2 1997—2019年建造機(jī)器人研究發(fā)文數(shù)量統(tǒng)計(jì)

2.2 研究國家與機(jī)構(gòu)

通過對文獻(xiàn)的來源進(jìn)行分析，梳理了涉及相關(guān)研究的全部國家或地區(qū)。據(jù)觀察，選定論文總共涵蓋了30個(gè)國家或地區(qū)。幾乎有40%的研究成果來自于美國(圖3)，其他研究較多的則是韓國、英國、中國，約占總數(shù)的40%。除了上述提到的國家之外，其余國家的相關(guān)文獻(xiàn)占比低于6%。表明隨著不同國家現(xiàn)代化程度提高，其對于利用機(jī)器人而不是勞動(dòng)力完成建造活動(dòng)的重視程度增高。

圖3 不同國家文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量百分比分布

研究機(jī)構(gòu)可分為社會(huì)機(jī)構(gòu)與科研機(jī)構(gòu)兩類，表2顯示了發(fā)文5篇及以上研究機(jī)構(gòu)及文章被引次數(shù)。值得注意的是，科研機(jī)構(gòu)發(fā)文數(shù)量約占總數(shù)的90%以上。這表明機(jī)器人研究尚停留在實(shí)驗(yàn)階段，距離大批量商業(yè)化應(yīng)用還有較遠(yuǎn)距離。

表2 發(fā)文5篇及以上研究機(jī)構(gòu)及文章被引次數(shù)

2.3 文章作者與來源出版物

基于對文獻(xiàn)發(fā)表作者及所屬機(jī)構(gòu)的分析，得出不同研究機(jī)構(gòu)各位學(xué)者的發(fā)文數(shù)量相近(表3)，即本行業(yè)尚無權(quán)威研究者引導(dǎo)研究方向。同時(shí)由圖4可清晰看出不同機(jī)構(gòu)作者所做研究相對孤立、并未形成一套完整的研究網(wǎng)絡(luò)。

表3 發(fā)文4篇及以上作者排名

圖4 作者間合作關(guān)系網(wǎng)絡(luò)

110篇建造機(jī)器人相關(guān)文獻(xiàn)來自于30個(gè)期刊及會(huì)議論文集(圖5)，其中《Automation in Construction》中發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)最多，被引次數(shù)也遠(yuǎn)超于其他期刊數(shù)量。由此可知，目前關(guān)于機(jī)器人的文獻(xiàn)及會(huì)議趨于高水準(zhǔn)研究，內(nèi)容具有較高價(jià)值。

圖5 不同出版物文獻(xiàn)記錄數(shù)與被引次數(shù)

2.4 研究主題結(jié)構(gòu)演化

通過對數(shù)據(jù)庫文獻(xiàn)進(jìn)行聚類，基于MI(Mutual Infomation)，LLR(Loglikelihood Ratio)，LSI(Latent Semantic Indexing)算法和Indexing Terms，Title Terms等進(jìn)行分析，生成文獻(xiàn)共被引類群網(wǎng)絡(luò)組(圖6)，用來識(shí)別機(jī)器人潛在的主題結(jié)構(gòu)。根據(jù)聚類結(jié)果可看出研究重點(diǎn)在于如何利用該數(shù)據(jù)組來為機(jī)器人研究與應(yīng)用提供合理思路，包括機(jī)器人類型、應(yīng)用統(tǒng)計(jì)與技術(shù)研究。

圖6 建造機(jī)器人主題結(jié)構(gòu)演化

2.5 研究共詞網(wǎng)絡(luò)演化過程

為了進(jìn)一步可視化建造機(jī)器人領(lǐng)域主題演化過程，從而確定不同時(shí)期機(jī)器人應(yīng)用實(shí)踐所關(guān)注的重點(diǎn)。圖7所展示的24個(gè)主要關(guān)鍵詞頻數(shù)演化過程，非常直觀地表明了在不同時(shí)期研究者們對于機(jī)器人內(nèi)容關(guān)注點(diǎn)的推移與產(chǎn)生。比如，關(guān)鍵詞“computer vision” “Additive manufacturing” “BIM(Building Information Modeling)”近6年首次在建造機(jī)器人行業(yè)被提出；“path—planning”“digital fabrication” “Construction Robots”等關(guān)鍵詞的頻數(shù)在調(diào)查期間穩(wěn)步增長。

圖7 建造機(jī)器人主題演化過程

圖8展示了建造機(jī)器人及自動(dòng)化研究共詞網(wǎng)絡(luò)演化過程，可得到如下結(jié)論：機(jī)器人研究最初關(guān)注對機(jī)器人原型設(shè)計(jì)的研究，即基于具體的建造內(nèi)容對機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)、模擬、測試和優(yōu)化以獲得一個(gè)有效機(jī)械結(jié)構(gòu)[8]。隨著人們對建造安全的不斷重視，關(guān)鍵詞“building robot safety”首次在機(jī)器人領(lǐng)域中被提出并迅速發(fā)展，解決建筑行業(yè)的健康與相關(guān)安全問題的關(guān)鍵在于增加自動(dòng)化和設(shè)計(jì)、建模和過程控制的集成比重[9]。2008年以后，研究開始關(guān)注如何將機(jī)器人技術(shù)作為一種替代解決復(fù)雜危險(xiǎn)的高層建設(shè)的方式[10]來建設(shè)高層建筑[11]，同時(shí)提出了將現(xiàn)場機(jī)器人連接到虛擬RCW的實(shí)時(shí)仿真模擬系統(tǒng)這一概念[12]。在最后一個(gè)階段，機(jī)器人研究更加關(guān)注創(chuàng)新技術(shù)作為進(jìn)一步提升機(jī)器人研究的潛在工具。例如“BIM”“computer vision”“Additive manufacturing”“path—planning”“digital fabrication”，嘗試將其他技術(shù)與機(jī)器人相結(jié)合從而創(chuàng)造出更具適應(yīng)性的新型建造方式。

圖8 建造機(jī)器人研究共詞網(wǎng)絡(luò)演化過程

3 基于建設(shè)全壽命周期的研究應(yīng)用

本節(jié)中，作者以全壽命周期為背景對先前機(jī)器人研究進(jìn)行回顧(見表4)，搭建了一套完整的機(jī)器人研究與應(yīng)用體系框架，并提出了相應(yīng)的技術(shù)與應(yīng)用挑戰(zhàn)。

3.1 規(guī)劃設(shè)計(jì)階段

以機(jī)器人為導(dǎo)向的施工方式在滿足各方需求的基礎(chǔ)上，衍生出了建筑產(chǎn)品多面性及復(fù)雜性、生命周期較長、維度多樣性以及建設(shè)場地固定性[13]等性點(diǎn)，從而導(dǎo)致了更加復(fù)雜的建造系統(tǒng)。因此，使用一個(gè)綜合的模塊化建造設(shè)計(jì)方法在滿足功能需求和建筑規(guī)范條件下將機(jī)器人作為新元素加入原有的建筑體系[14]十分重要。如何在保證機(jī)器人順利建造的同時(shí)，確保合適的組合來減少影響建造質(zhì)量和機(jī)器人性能的影響因素，如人為因素[15]、執(zhí)行效率、人機(jī)交互、環(huán)境條件等，在新時(shí)期具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

自動(dòng)化建設(shè)系統(tǒng)和綜合信息管理系統(tǒng)[16]目前也被用來進(jìn)行機(jī)器人建造模塊化設(shè)計(jì)，但實(shí)施過程面臨著眾多挑戰(zhàn)，例如材料部署、機(jī)器人路徑規(guī)劃與確定、機(jī)器人目標(biāo)規(guī)劃、實(shí)際部署構(gòu)建塊等。解決該問題的方法在很大程度上取決于操作者如何將特定的建筑形態(tài)[17,18]轉(zhuǎn)換成機(jī)器人可執(zhí)行的施工行為。

機(jī)器人本身也需要高效的自控系統(tǒng)和基本感知能力。即需要針對特定作業(yè)自下而上或自上而下集成機(jī)器人硬件和軟件系統(tǒng)從而在設(shè)計(jì)、施工過程、機(jī)制和控制方面來實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展性和適應(yīng)性。面向機(jī)器人的設(shè)計(jì)(Robot-Oriented Design，ROD)能夠有效協(xié)調(diào)建筑產(chǎn)品與機(jī)器人技術(shù)之間的互適性，調(diào)整傳統(tǒng)施工工藝和改進(jìn)施工方角色內(nèi)容的同時(shí)產(chǎn)生在建筑環(huán)境中以全壽命周期為導(dǎo)向進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新的觀點(diǎn)[13]。

3.2 建造施工階段

機(jī)器人建造往往使用分布式多機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)[19]，在不規(guī)則地形中由異構(gòu)機(jī)器人組完成不同位置之間組件識(shí)別、運(yùn)輸和精確匹配等任務(wù)。目前研究主要集中在組件[20～23]的協(xié)同推送行為，在力反饋協(xié)同操作中，多數(shù)工作集中在基于固定的機(jī)械手[24,25]操作上。為了避免作業(yè)過程發(fā)生碰撞或干擾，同時(shí)保證較好的集體機(jī)器人建造效率，利用視覺或顯示通信技術(shù)[26～28]精確定位十分必要。但目前尚未明確是否需要對協(xié)同作業(yè)對象進(jìn)行限制或?qū)f(xié)同允許誤差進(jìn)行規(guī)定，應(yīng)用僅限于根據(jù)特征規(guī)則在結(jié)構(gòu)化環(huán)境中將高度加工的建筑材料用于建筑作業(yè)[29]。

目前較為常見的機(jī)器人建造策略是從數(shù)控程序和路徑姿態(tài)對機(jī)器人的應(yīng)用進(jìn)行定義，基于數(shù)學(xué)模型與協(xié)調(diào)算法和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[30]在物理層面上實(shí)現(xiàn)不同類型機(jī)器人的自主建造。前一種方法雖然清楚地演示了順應(yīng)建造作業(yè)流程而對機(jī)器人的安排設(shè)計(jì)，但并沒有充分考慮機(jī)器人對工地固有的不規(guī)則地形和環(huán)境的適應(yīng)能力。為了彌補(bǔ)上述不足，需要通過概率建模來處理連續(xù)變化的作業(yè)環(huán)境，系統(tǒng)配合相應(yīng)硬件設(shè)備有效離散機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上的動(dòng)作，并通過一定的補(bǔ)償程序與傳感器幫助機(jī)器人對實(shí)際環(huán)境與理論模型之間的細(xì)小偏差進(jìn)行糾正以提高機(jī)器人流水化建造時(shí)的效率與可靠性。操作者可以用剛性或柔性的指標(biāo)檢查據(jù)此而建成的分布式建筑結(jié)構(gòu)的性能。其中的創(chuàng)新之處在于通過直接計(jì)算機(jī)器人姿態(tài)作為當(dāng)前可用數(shù)據(jù)的函數(shù)，允許機(jī)器人使用更大、更復(fù)雜的材料。

可視化是機(jī)器人施工管理系統(tǒng)的基本要素之一。目前，新型信息和通信技術(shù)(Information and Communications Technolog，ICT)被廣泛用于施工現(xiàn)場的數(shù)據(jù)管理方面，用于組織基礎(chǔ)設(shè)施的人員、流程和其他新型技術(shù)。例如將BIM信息系統(tǒng)與機(jī)器人系統(tǒng)相結(jié)合，管理層根據(jù)建造實(shí)施情況向現(xiàn)場機(jī)器人發(fā)送指令，在操作級別上對流水作業(yè)進(jìn)行有效控制并增強(qiáng)建造核心過程。

同時(shí)，建筑工地人機(jī)協(xié)同的工作模式也為現(xiàn)場管理帶來了新的挑戰(zhàn)和危險(xiǎn)。建筑工地的機(jī)器人必須在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中移動(dòng)以完成任務(wù)[31]，因此建造機(jī)器人與操作者之間需要保持實(shí)時(shí)的感知交互。利用傳感器或視覺系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)器人作業(yè)姿態(tài)并利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)強(qiáng)化現(xiàn)場信息是為工人與操作者提供實(shí)時(shí)信息的必要方法[32～35]。此外，現(xiàn)有的生產(chǎn)率分析方法僅通過傳感器或計(jì)算機(jī)視覺方法對施工設(shè)備進(jìn)行跟蹤[36～38]，這無法滿足目前的施工需求。

3.3 檢測維護(hù)階段

質(zhì)量評估與檢測是整個(gè)建造活動(dòng)中不可缺少的過程，施工完成后對建筑物性能進(jìn)行持續(xù)檢測十分必要[39]。據(jù)此，研究者們設(shè)計(jì)和開發(fā)具有質(zhì)量檢驗(yàn)、評估和檢測能力的機(jī)器人，并將機(jī)器人配備多個(gè)與所開發(fā)的融合算法相關(guān)的傳感器，使得機(jī)器人只在某些區(qū)域執(zhí)行非接觸式施工檢測方法以減少檢測時(shí)間。同時(shí)在機(jī)器人控制系統(tǒng)中加入控制轉(zhuǎn)彎度的參數(shù)，并設(shè)置合理的權(quán)值，進(jìn)一步提高覆蓋效率。關(guān)鍵之處在于建立一個(gè)更大的計(jì)算機(jī)視覺數(shù)據(jù)庫，它可能識(shí)別在不同的情況下更多類型的建筑不合格構(gòu)件，從而為質(zhì)量控制和更新建筑信息模型提供重要信息。

將計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)與全覆蓋路徑規(guī)劃算法相結(jié)合完成建筑廢棄物的回收工作，可有效解決傳統(tǒng)方式的效率低下且成本高額的不足之處。例如，釘螺自主回收機(jī)器人使用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)搜索整個(gè)工作區(qū)來識(shí)別釘子和螺絲并將其放在指定的儲(chǔ)存盒中，提高了建筑垃圾的回收[40]效率。但是，由于現(xiàn)場施工環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化特性，預(yù)先設(shè)計(jì)的固定工作路徑無法覆蓋整個(gè)施工現(xiàn)場，這使得回收機(jī)器人的設(shè)計(jì)和實(shí)施更加困難。第二種方法則是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將機(jī)器人吸引到未掃描的區(qū)域并產(chǎn)生排斥機(jī)器人的障礙物的效果[41～44]，典型算法包括全覆蓋路徑規(guī)劃算法。盡管施工區(qū)域邊界可通過施工圖準(zhǔn)確表示，但是由于拆除、改造、安裝和其他工作而引起的不確定性導(dǎo)致圖紙無法真正反映出工作區(qū)域的細(xì)節(jié)，對機(jī)器人檢測維護(hù)作業(yè)造成一定阻礙。

上文對建造機(jī)器人相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了定量分析，同時(shí)以全壽命周期為出發(fā)點(diǎn)定性分析了機(jī)器人在其中的貢獻(xiàn)和需求。不難看出，二者得出的結(jié)果和趨勢相輔相成。不同階段的應(yīng)用，衍生出了對機(jī)器人類型、技術(shù)及應(yīng)用方面的新需求，促進(jìn)了其主題的演化進(jìn)程。從最初僅考慮機(jī)器人的原型設(shè)計(jì)，逐步增加自動(dòng)化、建設(shè)過程控制及相應(yīng)輔助技術(shù)的集成比重，實(shí)時(shí)補(bǔ)充完善建造機(jī)器人的研究與應(yīng)用體系框架，最終創(chuàng)造出更高效的機(jī)器人-全壽命周期建造方式。

4 研究與應(yīng)用挑戰(zhàn)

雖然已經(jīng)有一系列的研究與實(shí)踐來探討將機(jī)器人用于建造活動(dòng)時(shí)面臨的成果與不足，但目前還沒有將機(jī)器人實(shí)際用于建設(shè)全壽命過程中的不同階段。然而，我們已經(jīng)可以將機(jī)器人應(yīng)用于部分特定環(huán)境下的特定建造活動(dòng)，但無法確定：(1)對動(dòng)態(tài)變化的建筑環(huán)境的自適應(yīng)性；(2)能否達(dá)到建筑要求精度；(3)使用機(jī)器人對于建造活動(dòng)的貢獻(xiàn)(例如，是否節(jié)約時(shí)間或經(jīng)濟(jì)成本)。接下來，我們將從技術(shù)挑戰(zhàn)(表4)與實(shí)際應(yīng)用兩部分來探討將機(jī)器人應(yīng)用于建造活動(dòng)所面臨的挑戰(zhàn)。

表4 建設(shè)機(jī)器人研究與實(shí)際應(yīng)用示例

4.1 研究挑戰(zhàn)

由于建造作業(yè)涉及多方面特性及其復(fù)雜性、長生命周期、維度的多樣性、物質(zhì)性，以及建筑場地固定這一獨(dú)特性質(zhì)[59]。如何增強(qiáng)機(jī)器人技術(shù)對于單個(gè)或多個(gè)構(gòu)建任務(wù)的適用性成為未來研究的關(guān)鍵，即通過確定結(jié)構(gòu)布局和材料的重復(fù)程度

和規(guī)律性來簡化及控制施工現(xiàn)場或過程，同時(shí)增加機(jī)器、操作和生產(chǎn)的復(fù)雜性從而發(fā)展適用性較高的新型技術(shù)。另外，為了使建筑機(jī)器人和自動(dòng)化在活動(dòng)層面上可行，必須縮小建筑產(chǎn)品設(shè)計(jì)和機(jī)器技術(shù)之間的差距[60]。關(guān)鍵在于發(fā)展計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，使機(jī)器人既具有產(chǎn)品設(shè)計(jì)又具有控制能力。同時(shí)，需提升通信技術(shù)[3]以使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工序設(shè)計(jì)和制造這部分得以集成。在此前提下，才可開發(fā)一種收集、處理、分析、交流和實(shí)施施工信息的新系統(tǒng)。建立某種自定位/局部定位信息訪問[61]，實(shí)現(xiàn)“感知-執(zhí)行”操作。更加精準(zhǔn)地結(jié)合機(jī)器人位勢姿態(tài)，提供高效率、高精度的三維實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)，最終形成滿足施工要求。

對比仿真建模示例[47,48]與實(shí)際的機(jī)器人建造過程，可發(fā)現(xiàn)二者之間通常存在較大的偏差。解決此問題的關(guān)鍵之處在于重新分析和規(guī)劃對待建作業(yè)的性質(zhì)及執(zhí)行方式，一種有效的方法是探索使用機(jī)械化或自動(dòng)化來更改設(shè)計(jì)或設(shè)備的潛力。即重新設(shè)計(jì)施工環(huán)境架構(gòu)，對作業(yè)任務(wù)進(jìn)行重新規(guī)劃，使用系統(tǒng)工程思想來考慮建筑設(shè)備的機(jī)械性能，最終在不同程度上改善待建工程施工難易程度及產(chǎn)品性能[62]。具體來說，為在建筑項(xiàng)目固有的嚴(yán)格且混亂的背景下提升建造活動(dòng)機(jī)械化、自動(dòng)化的程度，首要目標(biāo)是開發(fā)較高普遍性、精準(zhǔn)性的硬件設(shè)備以覆蓋目前單一類型設(shè)備，使其可在滿足遠(yuǎn)程或離線狀態(tài)下機(jī)器人編程控制的精度、實(shí)時(shí)、高效等要求的同時(shí)提高現(xiàn)有機(jī)械的自動(dòng)化水平，或?qū)鹘y(tǒng)的施工機(jī)械(起重機(jī)、壓實(shí)機(jī)等)改造為機(jī)器人系統(tǒng)。

實(shí)際機(jī)器人建造活動(dòng)中路徑或姿態(tài)與理論設(shè)計(jì)模型之間，往往由于環(huán)境因素或機(jī)器人本身而產(chǎn)生較大的偏差。因此，建筑機(jī)器人建模設(shè)計(jì)、路徑及姿態(tài)規(guī)劃系列軟件和數(shù)控軟件的接口優(yōu)化、信息實(shí)時(shí)傳遞，以及數(shù)控軟件對機(jī)器人本身硬件設(shè)備的精確控制研究十分必要。人機(jī)界面可實(shí)現(xiàn)操作員與機(jī)器人系統(tǒng)之間的持續(xù)協(xié)作，并使用感知系統(tǒng)來構(gòu)建全局模型[63]。同時(shí)，在基于自動(dòng)化控制的機(jī)器人體系的基礎(chǔ)上進(jìn)行智能化控制研究，提出新的設(shè)計(jì)、識(shí)別、控制技術(shù)及相應(yīng)的算法及方法，升級計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、通信技術(shù)和三維重建技術(shù)[64]等使得智能機(jī)器人及工具在建造過程中不斷地向中央計(jì)算機(jī)報(bào)告項(xiàng)目現(xiàn)場地理環(huán)境、作業(yè)進(jìn)展及機(jī)器人位置等信息，形成數(shù)據(jù)信息自動(dòng)跟蹤技術(shù)[65]。為機(jī)器人自主決策系統(tǒng)/操作者提供實(shí)時(shí)信息反饋，并由控制系統(tǒng)根據(jù)相應(yīng)算法進(jìn)行作業(yè)活動(dòng)相適應(yīng)性調(diào)整，從而更好地實(shí)現(xiàn)軟硬件協(xié)同及智能化機(jī)器人建造。

4.2 應(yīng)用挑戰(zhàn)

將機(jī)器人應(yīng)用于實(shí)際的建造活動(dòng)時(shí)，不僅要求機(jī)器人具有足夠的運(yùn)行效率，而且還具有較高的適應(yīng)性應(yīng)用條件，因此有必要開發(fā)一套完整的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)。利用不同的標(biāo)準(zhǔn)對各項(xiàng)建造活動(dòng)進(jìn)行分類，在所需要的建筑材料、機(jī)器人種類、施工工序、構(gòu)件性能、現(xiàn)場環(huán)境、資源調(diào)配、經(jīng)濟(jì)效益、能源損耗等方面充分研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)器人作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系、數(shù)字建造技術(shù)評價(jià)方法及可持續(xù)性能評價(jià)指標(biāo)[66]共同構(gòu)建機(jī)器人建造標(biāo)準(zhǔn)體系，從而確定在新型建造模式下不同生產(chǎn)要素之間的關(guān)系。

目前，由于建筑行業(yè)對機(jī)器人缺乏經(jīng)驗(yàn)，關(guān)于建造機(jī)器人的經(jīng)濟(jì)學(xué)數(shù)據(jù)相對較少。Warszawski完全依靠直接的勞動(dòng)力節(jié)約和折舊補(bǔ)貼來估計(jì)機(jī)器人帶來的經(jīng)濟(jì)效益，盡管Skibniewski 估計(jì)了間接收益，但他并未分析適用于機(jī)器人系統(tǒng)的重要稅收優(yōu)勢，例如對高科技設(shè)備的投資稅收抵免、折舊和其他公認(rèn)的會(huì)計(jì)慣例等方面的考量。而且，在關(guān)于運(yùn)營和維護(hù)成本的假設(shè)方面，兩位研究者之間也缺乏一致性[67]。也就是說，關(guān)于使用機(jī)器人來輔助或替代人類建筑活動(dòng)是否可以有效降低生產(chǎn)成本并提高生產(chǎn)率的具體評估體系和相關(guān)研究工作尚未得到有效實(shí)施。

5 未來研究

在建設(shè)活動(dòng)中開發(fā)的機(jī)器人系統(tǒng)生產(chǎn)效率較低，因此需要對現(xiàn)有技術(shù)與建造信息進(jìn)行融合創(chuàng)新，同時(shí)制定一系列規(guī)范以評估機(jī)器人建造過程中每一個(gè)層次的復(fù)雜性的潛在效益[68]。隨著建筑物復(fù)雜性提高，不同模塊之間的聯(lián)系逐漸緊密，現(xiàn)行的機(jī)器人技術(shù)將無法順利完成一系列建造活動(dòng)。如果無法對其進(jìn)行改進(jìn)以適應(yīng)不斷變化的建筑規(guī)范，該技術(shù)將不具備實(shí)用價(jià)值。

5.1 技術(shù)研究

建筑機(jī)器人研究屬于多學(xué)科交叉，提高機(jī)器人自治建設(shè)水平的關(guān)鍵在于提高機(jī)器人定位精度[69]?；谟?jì)算機(jī)圖像處理能力對建筑設(shè)計(jì)模型和可視化模擬進(jìn)行交互執(zhí)行演示，將機(jī)器人的姿態(tài)控制與外界環(huán)境進(jìn)行集成從而提高機(jī)器人自主建設(shè)水平將會(huì)是一個(gè)重要課題。隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，將BIM和IOT(Internet of Things)集成創(chuàng)建現(xiàn)場工作狀態(tài)與項(xiàng)目網(wǎng)絡(luò)之間的通訊網(wǎng)解決人機(jī)互操與云計(jì)算問題以確保信息流的實(shí)時(shí)交換也應(yīng)被納入研究范圍。

實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主建造而開發(fā)的自動(dòng)化系統(tǒng)在很大程度上依賴于人工智能的發(fā)展，即改進(jìn)數(shù)據(jù)兼容性和集成領(lǐng)域，將設(shè)計(jì)信息從CAD系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到機(jī)器人支持的數(shù)據(jù)庫中。關(guān)鍵在于賦予智能系統(tǒng)處理傳感器數(shù)據(jù)和驅(qū)動(dòng)機(jī)器人硬件的控制信號(hào)能力，允許系統(tǒng)接口訪問各種數(shù)據(jù)庫和硬件控制系統(tǒng)。遠(yuǎn)程控制技術(shù)[70,71]具有控制機(jī)器人到達(dá)人難以到達(dá)或不適應(yīng)的極端建造環(huán)境的能力，雖然現(xiàn)有的遠(yuǎn)程控制接口為機(jī)器人提供了工具和顯示器來感知?jiǎng)討B(tài)變化的建造環(huán)境、做出相應(yīng)的決策和生成指令，但該技術(shù)可擴(kuò)展至更“精細(xì)”的應(yīng)用領(lǐng)域。此外，有必要注意基礎(chǔ)研究的進(jìn)展，如可靠的環(huán)境識(shí)別、有效的運(yùn)動(dòng)控制以及定位傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取等。另外，基于一體化建模與仿真環(huán)境[72]對機(jī)器人現(xiàn)場模型中涉及到的各種資源進(jìn)行定量分析與改進(jìn)。在必要條件下，使用該技術(shù)對新建造系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)、設(shè)計(jì)和規(guī)劃[70]從而識(shí)別最優(yōu)資源調(diào)配水平和作業(yè)方式也將是一個(gè)重要課題。同時(shí)，繼承虛擬現(xiàn)實(shí)接口實(shí)現(xiàn)BIM平臺(tái)自適應(yīng)定制和擴(kuò)展，加入與自動(dòng)化施工相關(guān)的建筑信息，如機(jī)器人族與新材料參數(shù)等，明確機(jī)器人建造各個(gè)階段的參與程度和實(shí)施細(xì)節(jié)，充分利用機(jī)器人建造新機(jī)會(huì)[62]也十分重要。

5.2 應(yīng)用研究

目前建造機(jī)器人研究趨勢主要還處于技術(shù)工藝的研究探索階段，離大范圍的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還有不小的距離。研究人員和從業(yè)人員應(yīng)該合作探索創(chuàng)新技術(shù)從建造機(jī)器人研究向?qū)嵺`過渡的有效途徑。同時(shí)，有必要研究和定制一套完整的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，以評估相互獨(dú)立研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行的研究。在不同應(yīng)用場景內(nèi)的建造機(jī)器人所使用的作業(yè)機(jī)械、技術(shù)種類、適用范圍、現(xiàn)場環(huán)境、資源調(diào)配、經(jīng)濟(jì)效益、費(fèi)用能耗等充分研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)器人作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系、數(shù)字建造技術(shù)評價(jià)方法及可持續(xù)性能評價(jià)指標(biāo)共同構(gòu)建機(jī)器人建造標(biāo)準(zhǔn)體系，從而確定在新型建造模式下不同生產(chǎn)要素之間的關(guān)系。相應(yīng)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益評價(jià)研究將在機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際工程后得到迅速發(fā)展，如碳排放統(tǒng)計(jì)、資源能耗分析、造價(jià)測算等，同時(shí)與機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展相輔相成形成良性循環(huán)，反過來促進(jìn)技術(shù)本身的發(fā)展。

6 總 結(jié)

通過將輔助技術(shù)與評價(jià)體系相結(jié)合，可有效解決在建造活動(dòng)中使用機(jī)器人所面臨的挑戰(zhàn)，同時(shí)提高使用效率和建筑物性能。盡管如此，在大范圍使用機(jī)器人完成建造活動(dòng)之前，仍然有一些挑戰(zhàn)需要解決。本研究通過系統(tǒng)地識(shí)別和分析該領(lǐng)域的關(guān)鍵研究領(lǐng)域和應(yīng)用現(xiàn)狀，對未來建造機(jī)器人技術(shù)學(xué)術(shù)研究和實(shí)際應(yīng)用具有參考價(jià)值。因此，本文通過對SCI核心數(shù)據(jù)庫中1997—2019年收錄的110篇具有代表性的文獻(xiàn)作為研究對象，調(diào)查了使用機(jī)器人完成建造全壽命周期內(nèi)的行為與需要技術(shù)以識(shí)別由于建筑環(huán)境動(dòng)態(tài)變化與不同建筑活動(dòng)對于機(jī)器人的硬性要求所帶來的挑戰(zhàn)。最終提供了一套完整的建造機(jī)器人研究與應(yīng)用體系框架，借助不同的模塊化系統(tǒng)將機(jī)器人技術(shù)與建筑活動(dòng)整合在一起，集成數(shù)字技術(shù)以獲得完成作業(yè)的最優(yōu)解。隨著信息化與自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，施工現(xiàn)場將逐步引入模塊化建筑設(shè)計(jì)系統(tǒng)和數(shù)字技術(shù)，本研究將作為提高機(jī)器人建造效益和奠定建筑工業(yè)化基礎(chǔ)的有力工具。