笔记《免外墙脚手架机器人施工的唯一技术路线》
2021年7月9日，碧桂园创始人、董事局主席杨国强在集团管理会议上强调，“要全力以赴做好机器人建房的试点工程。从明年开始，我们全部用机器人建房子。”
《带你看！机器人这样建房子！》文中提到：目前，博智林已形成：混凝土施工、混凝土修整、砌砖抹灰、内墙装饰等12个建筑机器人产品线……
文中对于“外墙错台打磨机器人”介绍：
依附外墙环轨作业
模块化设计，体积小，重量轻
精度误差±3mm，最大切深10mm的错台
打磨组件与机械臂快装快拆，通用性强
切削打磨过程同时具备吸尘的功能
标准化施工效率高且环保
▲外墙错台打磨机器人作业
看过碧桂园的一系列机器人，我们可以发现，这些应用场景都没有脱离传统作业范畴，仅仅是以设备代换人力这个角度的小创新，实际应用，由于没有减少低水平“力工”的使用场景，因此不仅综合成本更高，而且施工难度更大，因为对于操作工人的要求不仅没有降低，反而提高了很多。
本文聚焦外墙围护系统，讨论一下机器人施工到底应该怎么搞，毕竟，老板吹过的牛，下面无论如何也要撑起来~~
用机器人安装幕墙的模块化末端执行器的开发
幕墙的安装为手动操作，施工过程中存在危险，且耗时较长。然而，由于自动化系统的能力，自动化在施工中的应用越来越多，因此，可以避免人工工作和风险情况。尽管如此，只有少数的机器人系统能够跨越如此巨大的工作空间，例如建筑的façade。在这些系统中，缆索驱动并联机器人(CDPR)。此外，CDPR可以承载重物，如统一的幕墙模块(CWM)。然而，安装CWM所需的工具和设备需要创新。首先，为了弥补这一研究空白，对目前的手工程序进行了详细分析。之后，开发团队评估了执行任务的几个选项。最后，选择了一个最优解:所谓的模末端执行器(MEE)。MEE由几个工具组成，以实现各种任务。主要工作有:混凝土板钻孔、支架安装、水煤浆搬运定位。除上述任务外，MEE还应以小于1毫米的预期公差精确固定所有元件。同时，MEE应该补偿由于外部力量如风影响系统的扰动运动。作为研究的一部分，详细阐述了自动安装cwm的工作流程。本文对该工作流的钻削步骤进行了测试，并给出了测试结果。
现有的常规水煤浆的安装是基于两个主要步骤的手动程序:支架固定和水煤浆的安装。在建筑物上安装CWM需要先安装接口或支架。现在，多亏了浇筑的渠道，这些支架被固定在混凝土板的边缘。除了承载和承载水煤浆负荷，这些元素的设计是为了应对理论和实际建筑几何形状之间的偏差。这些通道中的凹槽，结合支架板上的开槽切割，允许手动调整支架本身的位置和方向。见图1(左)。
然而，当考虑到它们在自动化系统中的使用时，它不仅变得很麻烦，而且是冗余的，因为自动化系统可以消除或减少以前的CWM安装阶段中实际状态和理论状态之间的差异。这可以通过使用另一种正确但不太流行的水煤浆界面安装方法来实现:钻板和设置膨胀锚。这种方法允许在安装水煤浆之前在正确的位置准备结构和工作，而不需要进一步的调整。除了易于自动化，钻孔(相对于浇筑通道)的一个相关优势是在设计、规划和混凝土浇筑板期间降低了复杂性。此外，使用膨胀锚可在新建筑工地及需要翻新工程的现有工地安装水煤浆。
一旦所有支架安装完毕，并以1mm的误差调整其位置，cwm将借助起重机或电梯运输到所需的建筑水平，最后手动定位、安装并固定在计划的位置。图1(右)显示水煤浆正在用起重机吊起，几名工人正在危险的情况下工作。工作量、危险和所需时间是相当大的。工人可以使用调节螺丝将水煤浆在z方向调平(图1(左))。水煤浆升降机及装置的自动化将会增加劳工的安全。预先考虑，可以达到更高的安装速度，同时保持所需的精度。
在过去的几十年里，各个行业的自动化水平都有了明显的提高。尽管建筑行业最近一直要求使用自动化和机器人技术，但适当的自动化系统的存在是罕见的。作为机器人技术在建筑行业的一个例子，Lindner公司和慕尼黑技术大学。另一款用于钻天花板的商用机器人由挪威nLink公司生产。在建筑行业开发自动化系统时，需要深入考虑机器人所要求的灵活性、重载、可靠性和大工作空间等特性。例如，自动幕墙模块(CWM)的安装需要较大的工作空间(建筑的façade)，较重的有效载荷(CWM重量约为300公斤)，并且是在室外环境中进行的。已经提出了几种水煤浆安装的自动化系统。例如,专利技术从Brunkeberg系统AB(美国专利号US8695308, 2014)正在使用中。它使铁路系统为他们专用的CWM发挥作用。另外，Yu等人使用移动机器人从建筑内部安装CWM 。这种方法只自动化CWM的安装，而不自动化支架的安装。Cinkelj, Kamnik, Cepon, Mihelj设计并测试了一个可伸缩的、远程操作的液压系统，以从建筑外钉住夹心板。该系统还被设计为只能使用专门的面板。如前所述，这些系统有其自身的局限性。CDPR提供了大的工作空间和高的有效载荷。这使得CDPR成为施工自动化，尤其是CWM安装的合适解决方案。因此，在欧盟的ICT-25- 2016-2017 (EU, 2017)号召下，HEPHAESTUS项目成立。该项目，以及本文的主题，重点是使用电缆驱动并联机器人(CDPR)安装CWM。
为了自动化CWM的安装，HEPHAESTUS项目中的系统被分为三个子系统:1)CDPR, 2) MEE，和3)控制系统。本文详细论述了机电一体化设计面临的挑战。对MEE的要求进行了仔细的分析和考虑：
-安装支架(CWM与建筑物之间的接口)
-在安装好的支架上定位并安装CWM
此外，MEE应该能够在户外工作，并为系统提供所需的准确性。它的意思是系统在环境载荷和风等振动的情况下应该是稳定的，并且支架的安装应该有1mm的公差。
末端执行器是附加在机械臂上并与环境交互的工具。在HEPHAESTUS项目中，末端执行器在电缆机器人的平台内操作，它是模块化的，这意味着它包含几个设备，包括末端执行器。本工程的主要任务是安装一个幕墙模块(CWM)。在这项任务中，有四个主要要求。首先，MEE应该执行钻井、固定支架和处理CWM等任务。其次，MEE要准确完成任务。问题是电缆机器人不能提供所需的精度。因此，MEE必须重新调整位置。完成这个子任务需要一个二级机器人装置。第三个要求是，在执行这些任务时，MEE需要保持稳定，户外危险，包括它们的力量，需要被中和。第四个也是最后一个要求是，CWM模块需要被提升并固定到正确的位置。
对于MEE的每一项要求，都考虑了几个可能的选择。对这些选择进行了仔细分析和评价。在选择方法中，仔细考虑了以下指标
-应该是安全的
-它的设计和制造应该在HEPHAESTUS项目的可用资源范围内实现。
一旦进行了分析，就会为每个需求选择一个最佳的解决方案。评估过程和选择的解决方案将在下一小节中解释。
电缆机器人的精度预计在40毫米左右，因此需要一个二级机器人系统来实现不同任务所需的1毫米定位，从建筑的结构准备到必要的安装硬件。也就是说，电缆机器人将实现整个建筑façade平面的宏观定位，而次级机器人系统将在所需位置对工具和组件进行微定位。一旦已知CWM和锚定设计位置的坐标，就可以将电缆机器人框架定位在附近的位置，在那里，机器人手臂的工具端可以接近锚定点。
对这个二级系统的选择进行了全面的考虑，包括:笛卡尔系统、基于金字塔的运动、六足机器人，最后是一个串行手臂机器人。为了评估这些选项，分析了子任务和有用的末端执行器工具来完成任务。例如，考虑使用带旋转锤的钻头。考虑到任务、工具可用性和项目资源，第二系统最合适的选择是一个10公斤有效载荷的系列机械臂。然后，该系统将通过气动或电动工具更换器操作安装在机器人头部的现成工具，从而在整个CWM安装过程中实现快速和自动更换。通用机器人UR-10是暂时要集成的系统。
认为HEPHAESTUS机器人在最大风速为15 m/s的大风条件下工作;这一点首先考虑了电缆机器人的刚度特性。缆索机器人的刚度可以平移为所施加的外力与由此产生的运动的关系。这是电缆机器人设计时可以考虑的一个参数。然而，有一些限制，因为更高的刚度需要更高的索张力，而其他因素保持不变。对于高张力的电缆，存在成本和技术限制。电缆机器人的刚度会影响MEE性能的准确性，因为施加在电缆机器人及其平台上的外部载荷(例如风)会导致电缆机器人移动，这就意味着MEE的移动。MEE是建筑任务的最后执行者，在执行过程中它应该是稳定的。司钻是在建筑物上执行作业的最终工具，在钻井过程中，建筑物不应由于外部负载而移动。为了填补MEE的稳定性与缆索机器人刚度之间的差距，本项目设计了稳定系统。在该系统中，MEE将控制建筑物，以便在执行任务期间保持稳定。
为了安装水煤浆，第一个要求是在建筑物每一层的楼板边缘安装水煤浆安装支架。该接口安装顺序可划分为三个主要阶段:
(例如，仅具有锤击功能的旋转锤)将元件插入孔中。这个操作是对两个锚栓进行的:第一个锚栓与托架板一起(见下一步)，第二个锚栓单独固定托架板绕z轴旋转。
以上六个步骤描述了支架板的安装和所需的硬件。机械臂机械手、工具更换器和现成组件的组合方便地允许更换或添加工具。这个功能有利于使用相同的配置为其他应用程序，如façade清洗或油漆。例如，在机器人手臂上安装一个喷漆喷嘴，并将其移动到建筑外墙，用于喷涂复杂的表面。
CWM的运输和到达是通过机架来实现的，通过机架将CWM水平运到施工现场，如图3(左)所示。对于CDPR，如果cwm垂直运输(图3(中间))，必要的操作可以最小化，但这将降低模块运输的优化。此时，CDPR需要从水平堆叠的位置拾取cwm，然后将它们安装在与建筑façade平行的垂直位置。为了解决这个问题，预先设想了一个带有吸盘的双向旋转处理系统作为初步解决方案(图3(右))。
为了开始验证所开发的MEE、二次机器人系统、过程和将要使用的工具，建立了一个初始测试实验。一个装有16毫米直径钻头的旋转锤安装在UR-10系列臂上，并被打入一个混凝土盒子中，模拟了建筑板上的结构。与此同时，该工具还配备了真空吸尘器软管，用于在钻井过程中清除灰尘。按照本文第2.3章中定义的工作流程，测试成功，结果证明，所得到的孔可以用于安装膨胀锚。过程和结果如图4所示。
目前幕墙模块安装的做法存在一些不利因素，包括工人的安全。为了实现更自动化的过程，正在进行的基于适应电缆驱动并联机器人的研究将集中在这一主题。本文描述了一种新型的机器人模块化末端执行器或工具系统的详细设计过程，在不久的将来，该系统将执行安装幕墙的任务。首先，收集和评估了几个选项。然后根据可实现性标准选择最终解决方案。所选的模块化末端执行器集成并利用了市场上现成的解决方案，这些解决方案能够充分执行安装CWM所涉及的任务集。这种开发方法支持高可行性场景的可访问性，在这种场景中，可以在不需要开发全新概念和技术的情况下，以小而渐进的步骤验证概念。将系统解决方案作为一个整体进行验证将有助于进一步完善解决方案本身。它还将为建筑行业提供持续丰富的自动化解决方案，可以解决其最常见的问题，如效率低下和安全。
为了逐步全面建造和使用CWM安装系统，我们将以类似于第2.5章所述的实验方法，分别测试不同的子任务和工具。其中一些实验将包括在串行臂UR-10上安装工具，以证明2.3章中定义的工作流程的有效性。为了完善设计，并验证更大的MEE元素的功能(例如建造握紧阻尼系统)，数字模拟和物理实验将紧随其后。最后，在完成MEE的设计和验证后，将制作该系统，并与电缆机器人一起在实际建筑上进行测试。
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