同济大学/第4章数字建筑学的建造技术方法/4.2 建筑机器人/4.2.1 建筑机器人介绍

系统介绍了“建筑机器人（Architectural Robotics）”的基本内涵、装备共性技术、移动技术、控制与工艺编程技术，以及多机协同和集群建造的前沿探索。

建筑机器人是机器人技术在建筑领域的延伸，其技术体系与工业机器人一脉相承。

机器人的装备技术类似于人类的身体，主要由感应器、处理器和效应器三个部分组成：

感应器（Sensors / 传感器）：
- 机器人获取外部信息的媒介，用于对设备、建造和环境进行全方位、多层级的实时感知与监测。
- 常用类型：视觉传感器、触觉传感器、惯性传感器、激光传感器、力矩传感器等。
- 典型应用：ETH 的移动机器人工具端配置两个视觉传感器，分别用于识别空间二维码进行定位，以及检测已建结构的位置和偏差以进行自适应调整；ICD 与 ITKE（2014-2015年展亭项目）在机器人工具端安装应力传感器，感知与 ETFE 薄膜的接触力并实时反馈给运动系统。
处理器（Processors）：
- 接受信息并进行判断处理的设备，可以是简单的单片机/微控制器，也可以是工业自动化中常用的 PLC（可编程逻辑控制器）系统。
- 典型应用：2019年上海“数字未来”国际工作营中，ICD 指导的移动机器人柔性建造项目使用 Arduino 微控制器开发了交互移动机器人，实现机器人族群的协同驱动。
效应器（Effectors / 执行器）：
- 包含机器人本体系和决定具体建造工艺的工具端（端头执行器）。
- 常用工具端：抓手、钻头、锯、铣刀、焊枪、吸盘等。
- 建筑师主导：机器人机械平台对工具端的开放性，赋予了建筑师依特定需求定制工具的可能，从而重塑传统建造工艺。

移动技术能极大提高机器人的活动范围。主要分为两大环境：

预制建造环境（有轨移动）：以地面导轨或空间行架导轨为主体搭建引导性平台，有效增大机器人在特定方向的移动范围。
- 案例：2015年同济大学与上海意创科技联合开发的 18 轴联动机器人艺术装备平台（含移动导轨与两台吊挂式机器人）；2016年 ETH 研发的由 4 台机器人和导轨系统合作的平台。
施工现场环境（无轨移动）：需要适应非结构化现场的无固定轨迹移动技术，普遍采用轮式和履带式移动机构，与执行系统耦合以在复杂环境下完成多样化任务。
- 案例：MIT 媒体实验室开发的数字建造平台（DCP，在大尺度移动装备端安装一台六轴机械臂）；Fastbrick 公司开发的面向大尺度砌筑结构的现场自动化建造机器人 Hadrian X；ETH 研发的现场建造机器人 In-situ Fabricator；以及同济大学开发的 In-situ 移动木构建造机器人平台。

控制技术是机器人的大脑，主要包括模拟编程、交互和定位等内容。

主流控制与编程软件：除品牌专用的编程工具外，多款面向建筑师的开放型编程软件已成为主流。
- KukaPRC：由建筑机器人协会（Association for Robotics in Architecture）开发的 KUKA 机器人编程工具，搭载在 Rhino 的 Grasshopper 可编程平台上，支持全方位运功仿真，用以快速验证碰撞和限位问题。
- FRobot：由同济大学与意创科技合作开发的在线与离线控制编程工具，适用于 KUKA、ABB、UR、Fanuc 等多主流品牌，具备仿真、实时控制、木构建造和 3D 打印实时编程等功能，目前已在 GitHub 上开源供自由下载。

对于单体机器人难以胜任的复杂任务，协同与集群技术提供了有效途径：

多机协同（Multirobot Coordination）：
- 案例一：2017年 ICD 和 ITKE 展亭项目，采用两台工业机械臂进行纤维缠绕，并配合一架无人机将纤维在两端机器人之间传递，实现了三智能体的空间信息协作。
- 案例二：ETH 在其实验建造项目 DFAB House 的木构模块自动预制生产中，采用了双臂协同建造技术。
集群建造（Swarm Construction）：
- 案例：2011年 ETH 研发的“飞行组装建筑（Flight Assembled Architecture）”，是世界上第一个通过飞行器组装建筑的装置。它结合了大量自主协作的四轴无人机，组装了大约 1500 个泡沫模块，建造起一个 6 米高的塔式结构。