淺析建筑機(jī)器人標(biāo)定及運(yùn)動(dòng)特性

摘要：隨著我國(guó)建筑行業(yè)的快速發(fā)展，很多建筑施工都是靠工人來(lái)完成的，施工過(guò)程復(fù)雜，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些安全事故，工程施工速度緩慢。針對(duì)這種現(xiàn)象，我國(guó)建筑管理部門(mén)開(kāi)始對(duì)建筑機(jī)器人進(jìn)行研究。對(duì)于建筑機(jī)器人的研究而言，標(biāo)定是提高其控制精度的關(guān)鍵技術(shù)，其運(yùn)動(dòng)特性包括正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)對(duì)其運(yùn)動(dòng)特性的研究，可確定其工作時(shí)間和性能。

關(guān)鍵詞：建筑機(jī)器人;標(biāo)定;運(yùn)動(dòng)特性

引言：

運(yùn)動(dòng)學(xué)是機(jī)器人研究的基礎(chǔ)，建筑機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究是機(jī)器人工作的前提，對(duì)于建筑機(jī)器人標(biāo)定和軌跡規(guī)劃等方面的研究具有重要意義。對(duì)建筑機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性的研究包括機(jī)器人的設(shè)定、運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析等相關(guān)技術(shù)的研究，是機(jī)器人控制的基礎(chǔ)，也是機(jī)器人研究主要內(nèi)容。本文主要探討國(guó)內(nèi)外建筑機(jī)器人的現(xiàn)狀、標(biāo)定及運(yùn)動(dòng)特性。

1國(guó)內(nèi)外建筑機(jī)器人的現(xiàn)狀

1982年，日本誕生世界第一個(gè)建筑機(jī)器人，從那時(shí)起，建筑機(jī)器人在世界各地迅速發(fā)展起來(lái)，并被廣泛應(yīng)用于噴漆、焊接、工程施工和清洗等許多工作領(lǐng)域。許多國(guó)家和地區(qū)，都積極投入到建筑機(jī)器人的研究中，并設(shè)有專門(mén)的研究機(jī)構(gòu)，早在21世紀(jì)初，我國(guó)就開(kāi)始建筑機(jī)器人的研究，研究?jī)?nèi)容主要集中在高層建筑工程機(jī)械化、材料選擇和幕墻安裝等方面。目前，中國(guó)已經(jīng)研制出一種新型建筑砌磚機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)為六軸，可在工作范圍內(nèi)任意移動(dòng)，根據(jù)設(shè)定的相應(yīng)指令，機(jī)器人能24小時(shí)不間斷地工作，可以提高建筑工程的施工速度。跳躍式機(jī)器人通過(guò)3 d掃描技術(shù)，精確地計(jì)算出每塊磚頭最合理的安裝位置，并能將磚頭整體傳送到工程中，利用建筑機(jī)器人的自動(dòng)操作技術(shù)，將磚頭準(zhǔn)確地放在相應(yīng)位置。在日本，研究人員研制出一種履帶式爬壁機(jī)器人，它的履帶是用永磁桿焊構(gòu)成的，當(dāng)機(jī)器人爬到天棚時(shí)很容易出現(xiàn)履帶脫落現(xiàn)象，從而導(dǎo)致機(jī)器人掉出天棚，為了避免這種現(xiàn)象，我國(guó)的工作人員在履帶上安裝一個(gè)倒桿，這樣做的目的是使履帶粘合，鏈子變成剛性鏈子，在倒桿作用下，建筑機(jī)器人變得更加穩(wěn)定。機(jī)器人的工作效率得到很大的提高。

2建筑機(jī)器人的標(biāo)定

建筑機(jī)器人的產(chǎn)生、實(shí)施及操作均可通過(guò)標(biāo)定預(yù)測(cè)結(jié)果，這樣做可以提高機(jī)器人的工作效率，減少建筑工程中資源消耗，建筑機(jī)器人標(biāo)定系統(tǒng)可通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)更高的定位精度，但建筑機(jī)器人自身的機(jī)械結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)并不會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)標(biāo)定精度達(dá)不到預(yù)設(shè)要求時(shí)，則需要建筑機(jī)器人進(jìn)行軌跡規(guī)劃、離線編程等方面的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)此展開(kāi)研究，通過(guò)一定的測(cè)量方法和基于模型的參數(shù)識(shí)別方法，精確地識(shí)別出機(jī)器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并確定出從關(guān)節(jié)變量到工作空間的具體操作方法，確定終端執(zhí)行器的實(shí)際位置和更準(zhǔn)確的函數(shù)關(guān)系，從而達(dá)到對(duì)控制器和模型參數(shù)進(jìn)行校正的目的。機(jī)器人的標(biāo)定，一般可分為三個(gè)層次，關(guān)鍵結(jié)標(biāo)定、運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定和動(dòng)力學(xué)標(biāo)定。建筑機(jī)器人的標(biāo)定一般可分為三個(gè)級(jí)別，關(guān)節(jié)水平標(biāo)定、運(yùn)動(dòng)學(xué)水平標(biāo)定、動(dòng)力學(xué)水平標(biāo)定，關(guān)節(jié)水平標(biāo)定的作用是顯示出關(guān)節(jié)傳感器上的關(guān)節(jié)值與實(shí)際值之間的關(guān)系，運(yùn)動(dòng)學(xué)水平標(biāo)定包括連桿的幾何參數(shù)和關(guān)節(jié)連接的靈活性。動(dòng)力學(xué)水平標(biāo)定主要是對(duì)建筑機(jī)器人的連桿慣性進(jìn)行標(biāo)定，所以建筑物機(jī)器人的標(biāo)定方法通常分為運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定和非運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定。施工機(jī)器人的標(biāo)定包括建立模型、參數(shù)測(cè)量、數(shù)據(jù)誤差分析和誤差補(bǔ)償四個(gè)步驟，利用精密測(cè)試儀可以測(cè)量機(jī)器人多點(diǎn)位置誤差，再用最小二乘法或其它多種方法識(shí)別誤差源的大小，最后通過(guò)附加控制算法或修改源控制算法對(duì)其進(jìn)行誤差補(bǔ)償。

3建筑機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性的研究

在工程施工中，施工機(jī)器人的工作空間被定義為近處，施工機(jī)器人在正常工作時(shí)，其末端桿件在極坐標(biāo)系下點(diǎn)的集合是建筑機(jī)器人具體的工作范圍，一般采用門(mén)卡計(jì)算方法和若法計(jì)算方法。在工程施工前，對(duì)建筑機(jī)器人的規(guī)劃主要包括兩面，一是建筑機(jī)器人的位移速度和加速度的曲線變化圖，二是建筑機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)曲線軌跡。建筑機(jī)器人的末端運(yùn)動(dòng)軌跡和各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡是檢測(cè)建筑機(jī)器人結(jié)構(gòu)是否合理的重要指標(biāo)，也是后續(xù)工作中進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)圖設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。軌道插補(bǔ)方法是最有效的規(guī)劃建筑機(jī)器人路徑的方法，它可以根據(jù)機(jī)器人的初始位置和終止位置，為建筑工程中的機(jī)器人規(guī)劃出各個(gè)環(huán)節(jié)和軌跡。本文提出一種能夠同時(shí)滿足工程時(shí)間實(shí)時(shí)性和空間實(shí)時(shí)性的軌跡插補(bǔ)方法，工程時(shí)間實(shí)時(shí)性是指一次軌跡插補(bǔ)過(guò)程可以在一個(gè)采樣周期內(nèi)完成，大部分算法都能滿足這一要求，空間實(shí)時(shí)性是指建筑機(jī)器人的控制系統(tǒng)可以完成軌跡插補(bǔ)并在線調(diào)整參數(shù)。在插補(bǔ)計(jì)算過(guò)程中，由于事先為建筑機(jī)器人的路徑規(guī)劃方向和法向量方向預(yù)留出接口，從而能夠控制界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的實(shí)時(shí)操作，同時(shí)還結(jié)合關(guān)節(jié)角速度，使建筑機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡符合關(guān)節(jié)空間規(guī)劃的要求，從而獲得約束輸入量，用于計(jì)算下一步的位移和運(yùn)動(dòng)速度，然后采用軌跡插補(bǔ)法，計(jì)算出關(guān)節(jié)角值并傳送給下一關(guān)節(jié)角，用于建筑機(jī)器人的運(yùn)行控制。

結(jié)束語(yǔ)：

對(duì)建筑機(jī)器人的研究主要目的是提高機(jī)器人的精度，從而解決建筑工人勞動(dòng)力低、工作效率低下等重大問(wèn)題的，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文對(duì)建筑機(jī)器人標(biāo)定和運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行詳細(xì)的分析，希望國(guó)內(nèi)專業(yè)人員能通過(guò)更多的實(shí)驗(yàn)和仿真方法，對(duì)建筑機(jī)器人標(biāo)定和運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行深刻的研究，為我國(guó)建筑機(jī)器人的后續(xù)規(guī)劃和離散編程技術(shù)的發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] ?周樂(lè)天. 建筑機(jī)器人移動(dòng)定位技術(shù)研究[D].電子科技大學(xué)，2019.

[2] ?費(fèi)清琪. 建筑機(jī)器人的軌跡規(guī)劃和伺服控制技術(shù)研究[D].蘇州科技大學(xué)，2018.

[3] ?于軍琪，曹建福，雷小康. 建筑機(jī)器人研究現(xiàn)狀與展望[J]. 自動(dòng)化博覽，2016（08）：68-75.

作者簡(jiǎn)介：譚靖喜（19870717）男，（廣西貴港市覃塘區(qū)石卡鎮(zhèn)白沙村），本科學(xué)歷，研究方向建筑機(jī)器人。

（作者單位：廣東博智林機(jī)器人有限公司）