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建筑外墙智能打磨系统构成
建筑外墙智能打磨系统技术分析
建筑外墙智能打磨机器人运动学分析
力位混合控制方案
系统试验
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引言
建筑行业是我国重要的支柱产业，在过去的三十多年里，建筑行业得到了飞速发展。然而，“大而不优”依然是建筑业面临的现实问题。传统的施工方式制约着建筑行业效率及建筑质量的提升，大多数建筑企业仍旧停留在“搬砖头、扎钢筋、浇混凝土、装模板”的生产方式上。用工缺口逐渐扩大、用工成本逐年上升、建筑工人老龄化、伤亡事故高等成为传统建筑业亟待解决的问题。
作为传统劳动密集型产业，建筑业亟需找到新的突破口，降低成本、提高人效，实现建筑产业高质量发展。
早在20世纪70年代，日本小松建设集团就推出无人机和推土机；清水建设集团推出焊接机器人和天花板安装机器人；美国麻省理工学院研发了面向建筑施工外骨骼机器人SRA和SRL；南加州大学研发了“轮廓工艺”高性能混凝土3D打印技术等。而国内建筑机器人的研发主要集中在高层建筑外墙的清洗和建筑施工自动化安装领域。
从年开始，国内建筑机器人的研发热度越来越高。年7月3日，住房和城乡建设部《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》明确指出，要“积极应用自主可控的BIM技术，加快构建数字设计基础平台和集成系统，实现设计、工艺、制造协同，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”。
相较于传统人工施工方式，建筑机器人在安全、质量、效率等方面有着显著的优势。本文将介绍上海机器人产业研究院基于恒力打磨技术的建筑外墙智能打磨系统的研究成果。
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建筑外墙
智能打磨系统构成
传统建筑领域中高层墙体施工只能借助吊环等工具，人工对墙体实施打磨、粉刷等工作，作业效率低、危险性较高，且高度依赖工人个人经验，施工质量的一致性难以得到保障，作业过程中产生的粉尘也会对工人的身体健康造成危害。
针对以上问题，上海机器人产业技术研究院提出一种“智能爬架+打磨机器人”的智能外墙打磨系统解决方案，该系统集智能爬架、电导轨、打磨机器人、智能安全监测及系统管理平台于一体，结合力位混合柔顺控制技术，实现机器人在墙体打磨过程中的运动规划、工位切换等功能。
该系统可自动检测墙面垂直度和平整度，自动调整打磨头角度，施工人员只需远程操控即可完成高层墙体打磨工作，可以显著提高施工效率及施工质量，保障施工人员的安全。以下介绍该系统的构成。
1）爬架模块
爬架模块包括爬架和移动导轨，爬架升降功能可将机器人提升至指定作业位置，解除了建筑外墙高度的限制；移动导轨固定在爬架底层，支撑移动模块的横向移动路径。
2）移动模块
移动模块包括底轮移动机构和升降模组，其中底轮移动机构可在移动导轨上横向移动，升降模组为机器人模块的纵向移动提供支撑。升降模组中的电导轨为机器人提供稳定的动力来源和作业环境，模块化电导轨模组便于智能爬架的标准化生产和组装施工。
3）打磨机器人模块
打磨机器人模块包含六自由度机械臂、智能驱动底盘、力传感器和打磨盘。六自由度机械臂可在三维工作空间触达指定施工位置，满足打磨施工的各种路径需求；智能驱动底盘在空间狭窄的爬架内具有良好的通过性，助力打磨机器人沿导轨方向运动；力传感器和打磨盘安装在机械臂末端，实时监测和控制机械臂施加的打磨力，结合内部算法实现施工过程中的恒力控制，有效提高墙体打磨质量与工作效率。打磨机器人末端采用通用接头设计，可根据施工需求扩展其他工序模块，如喷涂、磨削等。
4）下位机控制模块
下位机控制模块包括内部控制器、灯带、开关按钮和急停按钮。内部控制器作为下位机模块的控制中心，负责整个下位机系统的逻辑控制；根据打磨机器人系统状态，灯带会呈现不同颜色，开关按钮用于系统的开启与关闭，急停按钮用于紧急状态下的系统急停。
5）上位机模块
上位机由一台工业PC组成，提供可视化软件界面，实现自动打磨机器人系统的功能控制及状态控制，并实时监测其运行状态。检测数据传至管理平台进行数据分析，并形成分析报表。
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建筑外墙
智能打磨系统
技术分析
根据建筑外墙打磨具体需求，充分发挥复合机器人小型化、轻量化、安全机制好等优势，在打磨机器人机械臂运动学分析的基础上，结合路径规划与轨迹规划、重力补偿等技术设计上位机、智能爬架、控制器及打磨机器人本体，以实现高层建筑外墙的自动化打磨作业。本方案涉及以下关键技术：
1）机器人运动学分析
通过D-H参数法对移动平台、六自由度机械臂及机械臂相邻的两个转轴进行空间关系的连接，建立打磨机器人系统运动模型，完成机械臂位姿的控制。
2）机械臂轨迹规划
轨迹规划算法是设计每个时刻机械臂末端的位姿、速度和加速度。基于笛卡尔空间的轨迹规划算法导出机械臂运动路径关于时间的函数解析表达式，各关节的位置和姿态通过机器人逆运动学方程求解，由逆运动学的Jacobian矩阵求出各关节点的速度及加速度，从而完成机械臂的轨迹规划，满足打磨作业过程中多种运动轨迹需求。
3）下位机路径规划
智能驱动底盘的驱动及定位装置可实现机器人系统沿导轨方向的运动及任意位置的定位。下位机路径规划包含工位的规划和机械臂运动姿态的规划，并对作业过程中可能出现的碰撞风险进行规避，规划结果将保存在上位机中。根据上位机输入的打磨区域坐标进行路径规划及打磨分区，进而控制机器人系统在移动导轨上的位置。依据路径规划结果，打磨机器人系统从第一分区开始逐区域进行打磨作业，机械臂到达指定位置后切换成合适的打磨姿态，机械臂在各打磨分区将以不同的姿态进行打磨作业。
4）力位混合控制
在对打磨工艺力位分析的基础上增加力觉感知模组，通过力矩控制将控制量转化为机器人各关节的位移量，以恒定的打磨接触力实现机械臂的轨迹规划。
5）外墙打磨工艺参数建模
基于Princeton假设分析外墙打磨工艺理论，对打磨过程中的材料去除函数的去除特性进行建模，构建打磨质量与打磨工艺参数之间的映射关系，并分析去除函数数学模型的准确性，为研究建筑外墙自动化打磨提供理论基础。在对去除函数分析的基础上，进行打磨接触力、打磨速度对打磨效率的影响分析，总结规律并得出最佳的打磨工艺参数，从而得到较高的打磨效率。
6）交互控制及机械臂快拆
通过与上位机在线协同，操作员仅需远程操控即可完成对建筑外墙打磨的实时控制。机械臂末端采用通用接头设计，可进行其他工序模块的扩展，仅需更换末端执行器即可完成如建筑装修等多方面的需求。
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建筑外墙
智能打磨机器人
运动学分析
打磨机器人采用六自由度机械臂，控制移动平台具有三个移动关节，结合机械结构对其进行建模，打磨机器人构型如图1所示。
图1打磨机器人构型
1）可上升移动控制平台正运动学分析
移动平台分别具有XV轴、YV轴、ZV1轴、ZV2轴方向的平动四个自由度，机械臂安装位置相对于地面世界坐标系{OG}的转换矩阵为：
其中x、y、z1为移动平台定位中心在{OG}中XG、YG、ZG方向坐标，z2为机械臂底座安装位置在升降导轨上所处的高度。
2）机械臂运动学分析
（1）机械臂正运动学分析
为了方便建模和求解，将机械结构关节示意图进行杆件位置的变换，关节示意图如图2所示。
图2机械臂关节及自由度分析
机械臂的六个轴中每个轴都有固定的坐标系，通过D-H参数法对机械臂相邻的两个转轴进行空间关系的连接，最终建立六个转轴之间的运动模型,以此来完成机械臂位姿的控制，实现对墙面的打磨工作。由于机械臂受自身质量和体积的限制，会存在无法触达点，在进行理论计算时，要进行转角范围的划分，以免出现干涉现象。
根据D-H参数法，机器人每个转轴都有独立的坐标系，如图3所示。在机器人连杆长度及角度已知的情况下，相邻两个转轴之间可以通过4×4的齐次变换矩阵Ai对相邻转轴之间的坐标系进行连接，同时机器人末端位姿在笛卡尔坐标系中有6个自由度。所以，建立各个轴关节之间的位姿关系，可以得到机器人末端在机器人底座基础坐标系中的任意位姿。
图3机械臂坐标系构建
机器人相邻轴关节之间的齐次矩阵公式Ai,如下所示。
式中，θi是机器人关节i的旋转角，βi是机器人关节i和i+1之间的扭转角，αi是机器人关节i+1的长度，di是关节i的偏距，i=0,1,2,3,4,5,6。
根据D-H公式原理，可得出机械臂末端打磨工具的坐标关系与机械臂底座基础坐标系之间的转换关系如下式所示。
式中，ni、oi、αi为转轴的姿态矩阵，pi表示每个转轴在空间中的位置；表示机械臂本地的方向向量。
（2）机器人逆运动学求解
机器人逆运动学是在已知打磨末端的位姿坐标系后，求出六个转轴之间的转角θi。杆件参数和关节角度与运动学的关系如图4所示。
图4正运动学与逆运动学关系
由机器人正运动学分析得到末端打磨工具相对于基础坐标系的矩阵为A，将其表示为转角公式如下。
已知机械臂末端打磨工具坐标系位姿后，可以得到位姿向量n,o,a,p，用轴关节之间的齐次矩阵的逆矩阵A1-1左乘上式两边得到式x，根据齐次方程即可求出各个转轴之间的转角θi，但是这种解法求得的θi不具有唯一性。由于机械臂结构的限制，各关节变量不能满足°范围内的运动，同时在实际情况中，可以根据实际情况选择合适的运动范围，以此来满足对墙面的打磨的要求。
3）打磨机器人系统整体运动学分析
机械臂安装在移动控制平台升降导轨上，机械臂基座轴线与移动控制平台安装面垂直，因此打磨机器人机械臂执行器末端坐标系{A}相对于地面世界坐标系{OG}的转换矩阵为：
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力位混合
控制方案
由于墙面和打磨机器人都是刚性的，当打磨机器人碰到墙面硬度较大的位置依然保持初始速度进行墙面打磨的情况下会对墙面和打磨机器人系统造成损坏。为了避免类似情况的发生，在机械臂末端增加力传感器，通过力的形变产生电压信号形成力反馈系统，解决机器人系统交互控制过程中潜在的安全性问题，使整个机器人系统具备柔顺控制功能。
传统机器人在打磨作业中只有位移的概念，力位混合控制系统可以让机器人在打磨作业中持续施加恒力，实现拖动示教、轨迹复现、恒力贴合、曲面贴合、法向自适应、碰撞检测、刚度解耦等功能，提高墙体打磨质量。力传感器实时检测并采集打磨力信息，并将数据实时传回控制台；通过控制算法将设定的打磨力和实际打磨力的差值转化为机器人末端的位置修正量，并传递给机器人位置控制器；驱动机器人调整末端打磨头的位姿，对打磨力进行实时补偿，从而保证整个打磨过程打磨力处于相对恒定的范围。力位混合控制系统可适配五轴构型、六轴构型及七轴构型机器人，适用负载范围为7kg～kg，无需二次开发。安装于机械臂末端的恒力补偿系统可根据工作需要输出六轴向的推力。
外墙打磨过程中，控制台根据打磨区域坐标进行打磨分区和机械臂路径规划，并将控制信息传递至机器人控制柜。控制柜把处理后的信号发送到各驱动单元，力矩传感实时采集打磨头与墙体之间的打磨力信息并反馈至控制台。若打磨力不在设定的范围内，控制台将对机器人末端位姿进行调节以确保打磨力相对恒定，从而保证打磨质量（图5）。
图5恒力打磨系统工作流程
力位混合控制算法统一考虑力控制与位置控制，把力矩传感器采集到的打磨力与期望力之间的差值通过逆运动学转化为各轴关节位移量,从而实现恒力打磨（图6）。力位混合控制算法对环境变化的不确定性具有鲁棒性，可实现良好的柔顺控制。
图6力位混合控制架构
力位混合控制的核心采用TwinCat2的架构，与机器人伺服驱动相连，当输出力矩下发后，通过上下位机信息传输协议和数据管理工具传递给多个伺服电机，进而驱动机器人系统执行打磨任务。打磨机器人系统示意图如图7所示。
图7打磨机器人系统示意图
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系统试验
智能爬架及打磨机器人系统如图8-10所示。
图8智能爬架与打磨机器人系统
图9打磨机器人系统结构图
图10机械臂初始姿态
打磨机器人系统测试时对墙体施加6.5N恒定打磨力，测试结果如图11-12：
图11第一次打磨测试结果
图12第二次打磨测试结果
根据两次系统打磨测试结果可以看出，打磨作业时打磨力稳定在6.5N左右，最大误差不超过5%，一定程度上验证了本方案的可行性。
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结语
受市场劳动力成本逐年攀升且日益短缺及中国老龄化程度进一步加深的影响，传统建筑行业逐渐把目光转向机器人领域。智能机器人等先进技术正在改变基础设施的传统建造方式。中国作为全球最大的建筑市场，面对人口、资源、环境等条件约束将加速转型升级，对建筑机器人有着旺盛的市场需求。
与此同时，世界建筑机器人市场也日趋壮大。作为上海市机器人研发与转化功能型平台，上海机器人产业技术研究院在建筑机器人领域有着广泛布局。随着行走式建筑3D打印机器人、外墙打磨机器人等机器人产品的商业化推广应用，上海机器人产业技术研究院将持续为建筑行业赋能，助推建筑产业高质量发展。
作者简介
刘凤义
博士，上海机器人产业技术研究院项目经理，国家公派留学奖学金获得者，在JISR、JCAS、IEEE/ASMETransactionsonMechatronics、CASE等国际核心期刊与会议上发表多篇论文，并荣获优秀博士论文奖。
邮箱：liufy
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