建筑施工机器人研究进展

作为国民经济的重要一环，建筑业影响着中国经济发展、人民就业和社会稳定。随着中国城镇化水平的提高，建筑业发展迅猛。2021年上半年，中国建筑业企业总产值为 119 843.55 亿元，同比增长18.85%，占国内生产总值比重为6.26%[1]。然而，由于信息化和智能化程度低、管理粗放、过度依赖工人作业等原因，中国建筑业一直存在质量低下、利润不高、工期冗长等问题[2]。另一方面，中国建筑业安全事故频发，在2012~2018年间发生4100起市政工程安全事故，死亡人数达5011人[3]。此外，在社会老龄化、青少年价值观转变等因素的影响下，建筑业正面临着劳动力短缺的窘境。因此，中国建筑业迫切需要转型升级，通过新的建造模式来促进行业的健康发展。

建筑机器人是指应用于土木工程领域的机器人系统，能按照计算机程序或者人类指令自动执行简单重复的施工任务。建筑机器人对建筑行业的可持续发展具有重大意义[4]：①提高生产效率，缩短施工周期；②改善现场施工环境，保障工人的安全与健康；③降低用人成本，解决劳动力缺乏问题；④减少资源浪费，保护生态环境。由于建筑机器人正好弥补了建筑行业面临的制约因素，2020年9月，中国住房和城乡建设部发布了《住房和城乡建设部等部门关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》，指出“加快部品部件生产数字化、智能化升级，推广应用数字化技术、系统集成技术、智能化装备和建筑机器人”[5]。由此可见，建筑机器人的建造模式是建筑业未来发展的主要方向。

随着人工智能技术、传感器技术和 BIM 技术的发展，用于现场施工的建筑机器人技术逐渐成熟，单任务施工机器人（搬运机器人、安装机器人等）和集成机器人建造现场大量涌现，使得施工任务更加高效、精准和安全[6]。然而，中国建筑机器人研究起步较晚，技术研究较为分散，且缺乏统一的技术体系和标准[2]。另外，随着建筑机器人的普及应用，机器人对复杂建筑环境的适应、机器人在工地的管理维护和新型产业工人的培养等一系列问题值得深入探讨。为此，本文对国内外建筑施工机器人的研究案例进行梳理和介绍，并根据中国建筑施工机器人的使用情况，提出相应发展建议以期为相关企业机构拓宽研究思路，为中国建筑施工机器人的发展提供参考。

1.1 建筑机器人发展历程

建筑机器人概念最早在20世纪70年代提出，经过大量的试验，1982年第一款建筑机器人（SSR1）成功被应用到防火涂料作业中[7]。此后美国、欧洲发达国家和澳大利亚等国家也投入到建筑机器人研究当中，以替代人工开展危险且粗重繁复的施工作业[8]。近年来，中国企业机构开始研发建筑机器人，一些能够完成单一施工工序的自动化或半自动化机器人设备逐渐出现[2]。据美国 Guidehouse Insights咨询公司统计，到2030年，全球建筑机器人的市场规模达 110亿美元，年增长率达到 29%[9]。然而，由于建筑施工环境的复杂性和多样性，目前建筑机器人可处理的工作量远远满足不了工程实际需要，表明全球建筑机器人应用市场仍处于培育期[10]。

建筑机器人的常见分类有以下几种：根据概念可分为“广义”和“狭义”两类，分别指用于建筑生命全周期（设计、施工、运维、破拆）和工程施工环节（基础、主体和装修施工）的机器人设备[11]；根据使用场合，可分为施工场地外机器人设备（如预制件加工设备等）和施工场地内机器人设备（如搬运机器人等）；根据智能程度，可分为远程遥控机器人设备、可编程式机器人设备和智能机器人设备，其中远程遥控机器人设备的控制是通过有线或无线遥控器实现，机器的运行基本还是受限于工人控制，而可编程式机器人设备可以通过选定预先编程的功能或设定新功能，在一定的限制条件下改变要完成的任务。不同于前两者，智能机器人设备可在无需人为干预的情况下完成施工任务，具有感知环境、制定规划、自动运行和故障报警等功能[12]。

1.2 建筑机器人系统组成

建筑机器人一般由控制系统、感知系统、驱动系统和机械系统四大系统组成（图1）[12]。

控制系统作为机器人的大脑，通过程序指令和人机交互等方式协调和管理其他系统的工作；感知系统作为机器人的眼睛，通过内部传感器和外部传感器分别收集机器人内部系统（如机器人的位姿、状态等）和外部环境的信息（如障碍物检测、位置检测等）；驱动系统作为机器人的肌肉，为机械系统的运动提供动力，包括电动、气动和液压装置3种形式；机械系统作为机器人的骨架，是实现相关施工动作的基础，包含移动底盘、连接装置、执行装置和其他部件。在建筑机器人施工过程中，控制系统首先下发指令给驱动系统，收到指令的驱动系统再以特定的速度和方向驱动机械系统执行相应的施工动作，而感知系统在整个过程中不断收集机器人系统内外部的状态信息，再把这些信息反馈给控制系统，进一步调整机器人的运动，从而形成闭环控制。

本节主要针对工程施工环节的代表性建筑机器人，阐述主体结构施工、装修施工和其他新型建筑施工机器人的研究现状。

2.1 主体结构施工机器人

房屋主体结构包括砖混结构、钢筋混凝土结构和钢结构，其建造过程主要包括砌砖、混凝土浇筑和地面整平抹平等工序，这些工序大都属于危险作业，需要消耗大量的人体劳动，并且在施工过程中产生的粉尘、噪声等危害因子会对人体健康造成不可逆的损害[13-14]。为了解决上述问题，建筑机器人应时而生，它不仅能长时间工作，避免工人面临的危险隐患，还能节约劳动力，解决工人短缺问题。目前，研究较为广泛的主体结构机器人为砌砖机器人和混凝土地面处理机器人，本节主要针对这些机器人的技术研究展开描述。

2.1.1 砌砖机器人

在建筑施工中，砌砖工序占据较大的工作量，其施工效率与质量很大程度上决定着工程工期与质量。传统砌砖工序多为人工操作，施工质量参差不齐[15]。为了改善传统砌砖工序，国外发达国家率先研发自动化砌砖机器人，技术处于领先水平（表1）。例如：美国 Construction Robotics 公司研发的轨道式SAM100机器人，由机械臂、传递系统及位置反馈系统组成，效率较人工提高了3倍~5倍，是中国砌砖机器人研发参考的主要原型[16]；澳大利亚Fastbrick Robotics 研发的 Hadrian X机器人配备了28m的伸缩机械臂，能基于3D模型自主建造单栋建筑物的墙体，施工效率和精度分别达到1000块/h和0.5 mm[17]；美国 Construction Robotics公司研发的 MULE砌砖机器人通过提升夹取机构和精密定位装置协助工人进行砌砖操作，较人工效率提升了2倍（图2）[18]。以上商用产品充分证明了砌砖机器人的优势，但仍存在一些问题，如需依赖人工操作、使用非传统建材等。

相比于国外，目前中国的砌砖机器人缺乏可应用的产品，依然停留在研究阶段，其研究领域包括机械结构设计、视觉定位系统研发和任务规划等[19-20]。如上海建工四建集团和上海大界机器人联合研发了一款可实现“定位-上砖-抹灰-摆砖”的砌砖机器人，包含越障移动底盘、上砖装置、抹灰装置和六轴机械臂等结构[19]。砌砖机器人工作流程如图3（a）~（c）所示，机械臂与上砖抹灰系统组成砌墙机器人整体装备，在施工中，工人首先把砖块放至传送带上，砖块经传送带输送到指定位置后，由机械臂精准抓取至抹灰口进行自动抹灰操作，然后机械臂再把砖块放至指定的砌筑位置，完成砌筑工作。在定位导航和任务规划方面，这款机器人以 ROS导航作为导航系统基本结构，结合适用于室外、坑洼地带环境的Cartographer算法实现机器人的自主移动，且在开展任务前利用Rhino虚拟软件模拟砌筑路径和速度，使得任务执行得更加流畅和高效。综合以上功能，机器人在实际工地环境测试中能自动完成砌筑工作，墙体平整度和垂直度分别达到2.5mm和3.5 mm，均满足施工规范要求。此外，机械臂作为砌筑的关键机构，其运动规划决定着砌筑的功效和质量。目前机械臂的控制主要借助人工示教和编程实现，但是这种方法存在效率低和耗时长等问题，不适用于复杂多样的建筑环境[20]。为此，华中科技大学丁烈云院士提出了一种结合 3D 图像重建和 BIM技术的任务规划方法，将需要构建的建筑模型转化为控制机器人的信息（包括施工现场、机器人参数和任务内容等信息）[20]。这种方法的技术理论和框架如图3（d）所示，其核心内容主要包括三部分：建立基于 BIM模型的任务描述，通过场景重建补充装配建材的空间位置信息和生成机器人的控制指令。为了检验这种任务规划方法的效果，试验人员利用砌墙机器人分别砌筑难度不同的建筑模型（直墙模型，阶梯模型和金字塔模型），并比较新型方法和人工示教方法的耗时，见图3（e）、（f）。试验结果发现，这种新型方法的任务规划总耗时低于人工示教方法的一半，并且随着模型难度的增加，人工示教的任务规划耗时明显增加，而新型方法的任务规划耗时基本不变，说明结合3D图像重建和 BIM 技术的任务规划方法更高效。总的来说，面对复杂多样的建筑环境砌墙机器人如何快速准确完成砌筑任务是未来主要的研究热点。

2.1.2 混凝土地面处理机器人

混凝土地面处理是混凝土浇筑时较为关键的施工工序，传统工艺对工人的体力产生极大的消耗，而且施工质量也难以保证[21]。随着激光标定技术和控制技术的进步，市面上出现了自动化混凝土地面处理装备（激光整平和抹平机），用于替代传统人工作业[21-22]。激光整平和抹平机主要由整平或抹平头、激光系统和控制系统组成，其工作原理及步骤如图4所示，工人首先安装激光发射器，通过激光发射器旋转形成激光控制平面，然后手持接收杆将标高信息发送到机器，机器接收到激光信号后，通过液压系统控制阀调整整平或抹平头的高度，实现混凝土地面的整平抹平[22]。经过项目施工发现，相比传统工艺，激光整平机可以做到地面一次成型，工人数量降低 60%，成本节约2~3元/平方米，精度提升3倍左右，因此表明激光整平机优势明显[22]。

目前混凝土地面处理装备大多是手扶式、驾驶式、伸臂式、遥控式4种类型，仍需有操作经验的工人配合施工，这额外增加了混凝土地面处理装备的施工成本和安全隐患[23]。智能化混凝土地面处理机器人的研发可有效解决上述装备所面临的问题：但受限于自身定位和路径规划等技术，难以实现大规模应用。为此，哈尔滨工业大学针对混凝土地面整平机设计了一套视觉定位系统，该系统根据环境中合作靶标的位置，进行地图构建和定位[21]。测试发现，该系统能在盲区和机器抖动时有效识别出机器人的位姿，但当相机离靶标距离越大时，其精度越差，因而还难以进行实际的工程应用。另外，建筑市面上也出现了商用的智能化激光地面整平机，其主要利用工程图纸和 BIM 模型进行自主定位导航，但在不同户型施工时需频繁切换图纸和模型，这无疑降低了施工效率，使用效果还有待工程实践验证[24]。因此，稳定高效的自主定位导航系统是开发智能化混凝土地面处理机器人的关键。

2.2装修施工机器人

装修施工是建筑工程不可或缺的环节，主要包含打磨作业、喷涂作业和瓷砖铺贴作业等工序，这些工序危害人体健康，而且极具施工安全隐患[25]。因此，智能施工机器人的研究受到热捧。本节主要介绍墙地面打磨机器人、喷涂机器人和瓷砖铺贴机器人的研究进展。

2.2.1 墙地面打磨机器人

在装修施工时，天花板、墙面部分区域需进行打磨作业。传统的墙面打磨严重依赖人工作业，施工质量因人而异，而且施工环境极其恶劣，容易引起呼吸系统、听力损害等疾病[13-14,25]。针对以上问题，需开发一款少人化或无人化施工的打磨机器人，实现墙地面的自动打磨作业。现有墙地面打磨机器人主要由机械臂、移动底盘、打磨头、墙面高度检测设备和导航装置等系统组成，其关键技术包含机械结构设计、墙面平整度检测和运动控制等[26-27]。

2021年，烟台大学基于3D视觉技术设计了一款高精度墙面打磨机器人系统[图5（a）]，其包含打磨系统、PLC控制系统、3D视觉系统和移动平台等部件[26]。它利用 3D线激光传感器获取墙面三维数据，并对数据进行拟合处理，找到墙面打磨位置坐标[图5（b）]，再控制机械臂运动到指定位置，然后开启打磨头进行打磨作业。经过试验测试发现，这款打磨系统在小区域的打磨效果较好[图5（c）]，精度基本保持在1mm内，但从整个墙面打磨效果来看：其打磨的精度和稳定性还有待提高。墙面打精度是评判墙地面打磨机器人施工质量的重要参数，主要受到执行装置的动作与压力、墙面检测的精度、移动机构的运动精度等因素影响，其中，执行装置作为与墙面直接接触的装置，其运动控制决定着打磨作业的精度。Zhou 等[27]针对执行装置的运动控制，提出了一种基于图像视觉的阻抗算法模型，用于调节执行装置的作用力和动作两者的动态关系［图６（ａ）］。执行装置的动作由视觉系统进行实时反馈，而反馈的图像信息经阻抗算法模型处理后得到非奇异和解耦的图像雅可比矩阵，确保了大位移场景下打磨的稳定性和精度。在实际测试中发现，随着控制循环的进行，该模型的图像特征误差、力误差以及阻抗误差基本收敛到０，而且机器人打磨效果较好，说明这种算法模型具有明显的优势［图６（ｂ）、（ｃ）］。因此，优化相关算法模型和引入高精度传感器是提升墙面打磨机器人作业精度和稳定性的主要措施。

2.2.2 喷涂机器人

喷涂施工为装修工程的常见工序，包括室内喷涂、外墙喷涂、地坪涂覆等工序，这些工序在中国基本还停留在人工作业阶段。传统喷涂施工主要存在以下缺点：①外墙喷涂工序属于高空作业，存在严重的安全隐患；②涂料含有毒物质，对工人有致癌作用；③工人的技术水平会影响涂层的质量；④传统手工喷涂效率低[25-28]。可见，喷涂施工的自动化亟需解决。

在工业中，喷涂机器人被广泛应用于汽车、轮船等行业，常见的移动方式有导轨式、爬壁式和移动式等[29]。对于建筑室内环境，移动式喷涂机器人工作自由度较高，能灵活应对多种复杂作业对象，具有较强的适应性，因此备受推崇。目前研究中，室内移动喷涂机器人经典结构为“6+3+1”自由度结构，其具体结构包含6自由度机械臂、1自由度升降台和3自由度移动平台，该种结构机器人能实现对室内壁面的全覆盖喷涂作业，工作场景包括商品房、厂房和仓库等[29-30]。2018年 Asadi 等[30]根据这种经典结构研发了一款人机协作室内喷涂机器人 Pictobot，如图 7（a）所示，其包含移动底盘、无气喷涂系统、自抬升结构（最大抬升高度10m）、机械臂和喷头装置六大部件。操作工人的感知和判断作为上层规划负责设置喷涂的参数（压力、厚度等），通过远程操作遥控变换机器人的工作站点，以应对变化的工作环境，并且负责开展墙壁低处及边角的喷涂作业。喷涂机器人负责在壁面高处进行喷涂作业，以减轻工人的攀爬、弯腰等繁重工作，并借助传感器装置，重建施工场景和分析墙面的3D特征，进而自动控制抬升机构的高度和规划喷枪机械的运动[图7（b）]。在人机协作的条件下[图7（c）]，该款自动化机器人相比于传统工艺的优势包括优异的喷涂效率（提升 50%）、均匀一致的涂层、节约人工成本和更高的安全性等（表2）。可见，“6+3+1”自由度结构机器人施工具有明显的优势，但仍需工人配合施工，其自主化施工的程度需进一步提升。

与室内喷涂工序相比，外墙喷涂更具危险性。传统外墙喷涂作业一般采用吊板或吊篮方式，这两种方式都没有可靠的安全保障，存在高空坠落的风险[28]。因此，研究一款无人化施工的外墙喷涂机器人具有显著的意义。由于户外高空作业的特殊场景，外墙喷涂机器人在稳定性、安全性和可靠性方面的性能要求更高[31]。为了实现高效稳定作业，外墙喷涂机器人需具备外墙吸附和自由移动的功能，常见的结构设计为吸附式结构和悬挂式结构[31]。2016年合肥工业大学彭辉等[28]设计了一款悬臂架固定的外墙喷涂机器人，如图8（a）所示，包含悬臂架结构、轨道结构、喷涂机器人移动本体、吸附足和钢丝绳等组件。机器人通过固定在“女儿墙”悬臂架上的钢丝绳实现垂直移动，借助4个吸附足的吸附作用进行固定作业，当完成一个竖直面喷涂时，再通过轨道装置移动悬臂架进行下一个竖直面的作业。由于需要覆盖一定的作业面，机器人本体的喷枪组会搭载在数控移动滑台上，实现水平移动作业[图8（b）]。此外，机器人窗户探测装置可判别窗户位置，进而控制喷枪的开关，以避免污染窗户及浪费涂料，而且工人也可以通过视频监控系统实时观察喷涂情况，防止意外的发生。

2019年电子科技大学朱晖[31]针对悬挂式外墙喷涂机器人做了进一步的改进研究[图9（a）]，该机器人系统包含悬挂系统、机器人本体、喷涂系统和稳定调节系统四部分。悬挂系统由2个与吊篮适配的悬挂机构组成，承载量高达800kg，每个悬挂机构引出3根钢绳，分别为承重绳、安全绳和稳定绳[图9（b）]；机器人本体包括垂直提升装置、双喷枪装置、水平移动机构和状态检测装置[图9（c）]，提升装置的驱动轮与承重绳的咬合实现了机器人本体的升降，双喷枪装置通过齿轮齿条移动机构可实现10m宽度的大喷涂范围，这样可省去悬挂机构在水平方向的移动；在稳定调节系统中，由于张力机的作用，倾斜的稳定绳会对机器人本体产生一个水平方向的拉力[图9（d），其中F1为上稳定绳拉力，F2为下稳定绳拉力，F3为上靠墙腿推力，F4为下靠墙腿推力，G为机器人本体重力，m为机器人本体质心：H为机器人高度，α为上稳定绳与墙面的夹角，β为下稳定绳与墙面的夹角]，使得机器人在爬升过程中能稳定升降，而安全绳与机器人本体上的安全锁相连，能防止机器人因失速、倾斜产生的坠落。从上述研发案例可知，悬挂式外墙喷涂机器人结构较为简单，具有极大的商用潜力，但由于结构特征的限制，机器人只能在垂直墙面作业，不能到达墙体阴角、凸起结构等区域，而且容易受到楼栋户型的影响，导致悬架机构无法架设等问题。因此，提升外墙喷涂机器人的作业覆盖率和实用性是后续主要的研究方向。

2.2.3 瓷砖铺贴机器人

瓷砖铺贴在装修施工中需求量大，质量要求高且需专业人员施工，但传统手工铺贴存在施工周期长、劳动量大和工作效率低等问题，而瓷砖铺贴机器人不但能减少劳动力，还能通过自动化施工保证铺贴的效率和质量，因此受到广泛的研究[32]。

复杂的铺贴环境对机器人的设计、控制和运行提出了苛刻的要求。为了适应铺贴的环境和满足铺贴的功能，机器人的结构设计显得尤为关键。瓷砖的定位技术能准确检测瓷砖的位置，从而提高铺贴的质量。此外，机器人铺贴过程的轨迹规划能降低铺贴作业的时间，有利于进一步提升工作效率[32]。因此，瓷砖铺贴机器人的发展离不开上述关键技术的研究。2014年，新加坡未来城市实验室联合苏黎世联邦理工学院开发了一款包含六轴机械臂、吸盘抓取装置和红外定位仪器等部件的地砖铺贴机器人MRT[图10（a）]，该机器人不但能节省人力，还能精确计算铺贴位置，保证铺贴质量，目前已进入商业化应用阶段[33]。中国瓷砖铺贴机器人的研发基本是参考MRT机器人原型，例如：2020年南京航天大学设计了一款地砖铺设机器人系统，包含移动平台、抓取系统和导航系统[图10（b）][34]。其中移动平台为基于 Mecanum 轮的全向移动平台，具有优异的机动性和灵活性，能满足作业环境和作业任务的需求；抓取系统包含六轴机械臂、真空吸盘组件和视觉激光传感器[图10（c）]，不但能实现灵活抓取和铺设瓷砖，还能精确检测已铺贴瓷砖的位姿，从而达到施工规范的要求；导航系统通过激光雷达传感器获取环境信息，构建2D和3D地图模型，并使用改进的蚁群算法进行路径规划，确保了机器人快速稳定作业。经过仿真分析发现，地砖铺贴机器人可以顺利完成铺贴工作，满足实际功能需求[图10（d）]。然而，目前市面上铺贴机器人的使用率较低，主要存在研发成本高、适用瓷砖尺寸单一和控制复杂等问题[35]。因此，瓷砖铺贴机器人的研发设计应充分考虑实用性和研发成本。

2.3其他新型施工机器人系统

上述机器人主要是针对特定的现场施工工序进行作业，除此之外，建筑机器人还包含一些与施工作业密切相关的新型机器人系统，如用于混凝土打印的 3D打印机器人、用于建筑测量的智能化测量机器人等，本节主要针对这两类代表性的新型建筑施工机器人研究现状展开介绍。

2.3.1 3D 打印机器人

3D 建筑打印属于新型的数字建造技术，在建造过程中不需要复杂的模板系统，直接依据建筑三维模型驱动打印机器人建造出相应的建筑构件，这种技术具有速度快、成本低和节省劳动力等优势[36]。由于混凝土材料的广泛使用，3D混凝土打印成为研究热度极高的 3D建筑打印技术，也取得了突破性的研究进展，其研究领域包括机械结构领域、材料领域和工艺领域等[37]，其中，3D混凝土打印机器人的结构设计与打印质量息息相关，是实现打印功能的重要载体[36-37]。2004 年 Khoshnevis[38] 设计了一款包含大型三维挤出装置（类似龙门吊车）和抹刀喷嘴组合机构的“轮廓工艺”打印机器人[图 11（a）]，打印机构悬挂在建筑物上方，通过轨道装置和伸缩臂控制喷嘴的移动，实现精确的打印定位，该款机器人的工作效率达到12m/h，材料使用量减少了25%~30%，工人数量降低了 45%~55%。为了进一步提升打印机器人的灵活性，Bosscher 等[39]提出了一款带缆索系统的“轮廓工艺”打印机器人[11（b）]，通过缆索控制喷嘴的移动，并用轻质的刚性框架取代笨重的龙门框架，让现场打印施工更加简便、实用。以上打印机器人都是基于框架结构，机器人打印范围受限，只适用于小区域建筑的打印。基于多机协作的移动式 Minibuilders 系统的研发能实现整栋建筑物的建造[图11（c）]。该系统包含3款机器人，它们吸附在建筑物上，根据控制器下发的指令分别完成地基、墙体和墙体平整任务，从而实现多尺度建筑物的打印，但此系统控制复杂、成本高且精度难以保证[40]。此外，材料领域的研究主要为材料的成分优化，如引人纤维增强混凝土、磷酸盐水泥和纳米黏土水泥等材料，以增强打印材料的密度和强度。为了提高打印的质量和效率，研究者也在工艺领域做了一定的研究，包含打印路径的优化、打印构件的精细化等[37]。经过近 20年的发展，3D 混凝土打印机器人已经逐渐走向产业化应用，如迪拜办公楼、美国星级酒店和荷兰混凝土桥梁等建筑的建造，未来将继续朝着轻量化、智能化和低成本方向发展[41]。

2.3.2 建筑测量机器人

建筑实测实量是提升房屋质量的关键工序，工作量大，且工作进度紧迫。传统手工测量主要借助靠尺、寒尺、方尺和扫平仪等工具，对规范要求的点，线位置进行测量，再通过人工记录和比对完成测量任务，因此存在效率低、人为因素影响大和数据整理调用繁琐等弊端[42]。为了优化实测实量工序，自动化实测实量技术受到广泛研究。新型的建筑测量机器人利用三维激光扫描技术，由激光测距系统和激光扫描系统组成，能实现数据的采集、传输、运算、绘图制表和评分的全自动化，具有明显的技术优势[42]。在开展测量工作时，测量机器人的工作步骤包含：①按照预先计划的站点位置，逐站进行扫描获取点云数据；②把独立的点云数据导人专用软件进行预处理和拼接，得到整体的点云数据模型；③专用软件从模型里提取垂直度、平整度等几何信息，并与BIM 模型比对，自动生成报表，完成实测实量任务（图 12）[43]。为了证明测量机器人的优势，中建二局分别采用自动化测量和手工测量方法对沈阳某工程进行实测实量，并对比两者的测量效果。测试结果显示，相比于手工测量，测量机器人精度达到±1mm，高于手工测量的±3 mm 精度，测量效率提升 5倍，测量人数减少 66%，成本降低 50%，而且省去复测、复检和数据整理等环节，可见与手工测量方法相比，自动化测量方法更优异[44]。然而，在测量机器人使用中，发现以下问题[43]：复杂结构及障碍物导致数据缺失、现场人员活动范围受限和设备成本过高等，这些问题导致测量机器人难以推广应用，亟需解决。

由上述研究现状可以看出，建筑施工机器人的技术逐步成熟，但目前在中国的产业化应用较少，为进一步推广建筑施工机器人，下面将从研发设计、管理运维、基础技术研发和人才培养等多个角度提出建筑施工机器人的发展建议。

（1）在研发设计上，建筑施工机器人的发展需考虑小型化、实用性、集成化、经济效益等方面。关于小型化，随着城镇化进程和住宅用地的减少，小户型住宅逐渐成为房地产市场的风向[45]，然而目前建筑施工机器人大都存在外形尺寸过大的问题，在小户型住宅里难以开展施工作业，因此机器人的设计需考虑施工空间的影响，在不影响性能的情况下缩小机器人的体积。关于实用性，现阶段建筑施工机器人基本由传统建筑工人进行操作，这部分人员对新事物的接受程度较低，更倾向于操作简便的机械设备，另外机器人实际的施工环境具有复杂多样性（夜间环境、恶劣天气等），增加了机器人的操作难度，因此建筑施工机器人的设计需考虑操作人员和环境的影响，以提高机器人的实用性。关于集成化，目前建筑施工机器人大多是针对单一工序研发的，功能集成度不高[11-12]，使得一个施工项目需要大量机器人参与，这无疑提高了使用和管理成本，因此设计一款能同时开展多个工序或按需要切换工序的高度集成化机器人显得非常必要。关于经济效益，经济效益决定了建筑施工机器人的实用性，是机器人施工体系的根本优势，因此建筑施工机器人研发的首要出发点是考虑自身的经济效益，这可从优化人机搭配数量比例、提升施工工效和降低研发及制造成本等方面提升机器人的总体经济效益。

（2）在管理运维上，建筑施工机器人的发展需考虑场地布置、管理模式转变、市场环境规范等方面。关于场地布置，施工作业的建筑施工机器人需进行清洗、充电和检修保养等操作，这些操作会影响工人的安全和破坏施工环境，因此建筑工地需完善相广的场地布置，如废水排放系统、集中充电场所和检修保养场所等。关于管理模式转变，低效粗放的传统施工管理模式不再适用于建筑施工机器人施工体系，而数字化管理不仅可使施工进程可视化，还可以实现施工规划的最优化，所以需大力发展工地数字化管理技术（如 BIM、FMS等技术），以提升工地管理效率[46]。关于市场环境规范，随着机器人技术的成熟，涌现了各式各样的建筑施工机器人，其性能质量参差不齐，而且市场监管力度不足，为了行业的健康发展，行业协会和政府机构需完善建筑施工机器人的施工标准、技术规范和相关的法律法规。

（3）在基础技术研究和人才培养上，建筑施工机器人的发展需考虑重视基础技术开发、劳动力培养方式转变等方面。关于重视基础技术开发，由于基础技术产业薄弱，中国大部分建筑施工机器人为组装型产品，其智能化程度、施工精度和稳定性落后于国外产品[2]，为了缩小与国外产品的差距，国家和企业需重视基础技术（如导航定位系统、轨迹规划技术、高精度传感器等）的开发，加大财力和物力的投人，实现核心技术的国产化。关于劳动力培养方式转变，在机器人施工体系下，建筑产业的劳动力结构和素质要求较传统施工体系发生了明显的变化，以国内某总承包公司为例，新型产业工人大多接受过专科及以上的教育（人数占比过半），需具备较好的科技知识水平，而且公司要求建筑工人在传统施工和新技术运用方面均需具备一定的基础，如需具备机器人操作、传统施工边角处理手艺、施工管理、简单维修保养等能力，说明建筑业由劳动密集型逐步向技术密集型转变。可见，新型体系的劳动力培养方式需朝着专业化、智能化、精细化方向发展，而基于自学或“老带新”的传统劳动力培养方式已不适用于机器人施工体系[47]。机器人施工体系的劳动力培养需要政府、学校和企业共同参与和努力，如政府层面需完善专业素养与素质教育并行的教育体系职业院校层面需开设涉及机械、电气、建筑工艺等领域的综合性学科，企业层面需加强对产业工人的建筑机器人技术培训等。

本文详细阐述了现场施工环节建筑机器人的技术进展，并从多个角度提出发展建议。建筑机器人颠覆了传统建筑施工体系，使建筑施工更高效、更安全和更智能。建筑施工机器人目前在中国属于新兴产业，具有广阔的市场前景。同时，应该认识到中国建筑施工机器人与国外产品的差距，集中力量提高发展创新能力和基础研发能力，提升产品性能和降低产品成本。相信在政府、高校和企业的共同努力下，建筑施工机器人未来能在中国得到更广泛的应用和普及。

[1]赵峰,王要武,李晓东,等.2019年上半年建筑业发展统计分析[J].工程管理学报,2019,33(04):1-3.

[2]林治阳.建筑机器人在我国建筑业企业中的应用障碍及对策研究[D].重庆大学,2017.

[3]张鸿辉,李润求.2012-2018年建筑施工事故统计分析及对策[J].科技创新与应用,2020,(31):135-137+139.

[4]苏世龙,雷俊,马栓棚,等.智能建造机器人应用技术研究[J].施工技术,2019,48(22):16-18+25.

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来源：[1]陈翀,李星,邱志强,等.建筑施工机器人研究进展[J].建筑科学与工程学报,2022,39(04):58-70.