Page 6 - 2022年第53卷第6期

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施工过程中建造活动以及施工完成后的维护和拆除等 。总体来讲，现场建筑机器人可以归纳为两
类：基于现有机械进行改装制造和针对特定任务研发的建筑机器人，从而实现无人化作业。
对于改装机械研发的建筑机器人，全自主智能建筑机器人是研究的最高目标，少数研究实现了
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特定场景下的全自主智能无人施工，如时梦楠等 研发的多料种全覆盖自主碾压机群协同作业系统
实现了全天候无人碾压机群作业，并成功应用于 300 m级两河口水电站大坝碾压施工，开创了世界大
规模无人碾压机群筑坝的先河；Zhang 等 ［10］ 研发的自主挖掘系统实现了 24 h 无人接管自主挖掘作业；
苏黎世联邦理工学院研发的自主行走挖掘机在沟壑挖掘、石墙组装、森林作业等实际施工场景下表
现突出 ［11］ 。相比于全自主智能机器人，基于人-机协作的建筑机器人研究成果更多且应用更为广泛 ［12-15］ ，
该类型建筑机器人解决了其应对复杂多变施工环境时感知能力匮乏及分析决策欠佳的不足，充分发
挥了人的知识与机器人的自动化专长，提高了建筑机器人作业的普适性。对于特定任务的建筑机器
人，目前已有大量研究成果将建筑机器人应用于现场特定任务施工过程中，如基于“轮廓工艺”技术
的3D打印机器人 ［16-17］ 、墙体砌筑机器人 ［18-19］ 、房屋装饰机器人 ［20-21］ 等，非标准化钢筋结构制作 ［22-23］
等。上述建筑机器人基本结构组成主要包括移动式行走装置、多自由度机械臂和末端执行机构，该
设计能够满足大型施工现场跨度大和空间复杂性强的作业任务要求。上述研究成果对机器人技术应
用于建筑施工领域进行了有益探索，为本文研究提供了良好借鉴思路。在水利工程施工领域，天津
大学水利工程智能建设团队针对碾压工艺开展无人碾压机群施工技术研究 ［9，24］ 并成功应用在工程建设
现场。由于不同坝型施工工艺的区别，对于高拱坝复杂环境下混凝土浇筑振捣过程，尤其是涉及到
混凝土材料分区、振捣工艺变化、非结构化地面等复杂不确定工况，有必要开展满足高拱坝仓面复
杂施工环境下振捣工艺的机器人技术研究，实现无人振捣作业，从而解决人工振捣作业方式面临的
振捣质量控制难题。
振捣质量的智能化分析与控制是实现无人振捣作业的核心。在混凝土振捣质量分析与控制方面，
现有研究主要集中在对振捣设备进行智能监控 ［5，25-27］ ，通过采用高精度 GNSS、测距传感器等实现振
捣位置、作业时间、插入深度等参数的实时监控。然而，规范要求一次振捣是否结束应根据混凝土
表面图像特征进行定性评估 ，现有研究采用预先设定的振捣时间策略，从而间接满足该项要求，
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未能考虑混凝土异构性对振捣时间的影响。因此，在作者团队研究基础上 ［28］ ，引入机器视觉方法建
立混凝土表面图像智能识别模型，并在振捣过程中实时分析混凝土表面图像，从而满足规范对振捣
结束时表面图像的要求，实现振捣质量的智能分析。
针对上述问题，综合考虑混凝土坝仓面非规则性、多障碍物的环境特征，本文基于工业机器
人、自动化控制、机器视觉等技术，以高拱坝仓面混凝土振捣环节为研究对象，开展无人振捣施
工智能化关键技术研究，研发无人振捣机器人系统，该系统能够实现仓面复杂环境下行走、振捣、
避障等功能，以及高拱坝仓面混凝土振捣效果的机器视觉识别。此外，能够实现云端可视化监控
和远程操控。

2 振捣机器人系统

2.1 系统总体设计 振捣机器人系统总体结构如图 1 所示，包括振捣机器人本体、云端监控平台和
通讯三大子系统。振捣机器人本体能够在复杂环境下实现外界环境及振捣作业等多源信息的感知与
集成，并通过运动学模型、图像识别算法等实现振捣动作、质量等属性的分析与决策，进一步实现
行走、振捣、避障等行为控制，确保振捣机器人本体能够安全、有效作业；云端监控平台通过无线
网络连接云服务器实时可视化振捣机器人本体作业过程中产生的多源信息，并能够对质量进行监控，
同时下达相关控制指令，实现对车体的运动控制；通讯子系统是振捣机器人本体不同模块间以及振
捣机器人本体和云端监控平台间连接的通信桥梁。
2.2 振捣机器人本体设计

2.2.1 振捣机器人本体结构设计 振捣机器人本体结构包括行走模块、机械臂模块、振捣棒组模块、
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