《AUTOMATION IN CONSTRUCTION》：Assembly sequence planning method for robotic timber wall prefabrication
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机器人预制建筑中，本研究提出整合钉子放置与紧固操作的自动化装配顺序规划方法。通过参数化几何模型（PGR）自动生成紧固数据，结合改进的A*算法实现工具碰撞避免和高效路径规划。实验验证显示该方法能有效减少机器人移动时间并确保执行可行性。
杨成轩|蔡良婷|陈玉香|康世忠
阿尔伯塔大学土木与环境工程系，加拿大阿尔伯塔省埃德蒙顿市St.街116号和85大道交汇处，邮编T6G 2R3
摘要
在过去十年中，工业机器人在建筑领域的应用逐渐增加，尤其是在预制建筑过程中。机器人预制的一个关键挑战是确定一个可行且高效的组装顺序。现有的组装顺序规划（ASP）方法主要关注组件放置，但缺乏对材料特性、紧固操作以及木墙框架执行约束的考虑。为了解决这一难题，本文开发了一种自动化ASP方法，该方法整合了立柱放置和紧固动作，确保序列无工具碰撞且可行。该方法包括三个模块：数据预处理、立柱放置排序和组装顺序优化。一种参数化几何表示（PGR）模型结合一个八参数立柱关系矩阵，可以自动生成缺失的紧固数据，从而减少人工输入。基于场景的排序方法可以防止“隐藏”动作（即某些动作被其他动作遮挡），而改进的A*算法可以生成接近最优的序列。可行性测试和性能测试证实，该方法能够减少机器人的移动时间，并确保执行过程中无工具碰撞。
引言
近年来，异地建造方法在建筑行业得到了广泛应用，尤其是在欧洲和北美[1]。通过在受控的室内环境中制造或预制建筑构件，然后将其运输到施工现场进行安装[2]，这种方法提高了生产效率，降低了建造成本，并增强了工人安全[3]。尽管有这些优势，当前的异地建造过程仍然严重依赖人工劳动[4]，尤其是在组装木墙框架等任务中。
为应对日益严重的劳动力短缺问题，建筑行业越来越多地探索使用机器人技术来减少劳动力需求并提高施工一致性。受到工业机器人在制造业中成功应用的启发，研究人员研究了其在建筑领域的应用，包括执行体力要求高的任务[5]、加工原材料[6]或制造不同的建筑构件[7]。虽然前景广阔，但将机器人技术应用于建筑领域也带来了独特的挑战，主要是由于建筑构件的复杂性、定制性和规模问题。
在预制建筑中实施机器人技术的一个主要障碍是需要有效的组装顺序规划（ASP）。现有的ASP方法主要关注几何约束和组件放置，但往往无法解决木墙框架特有的实际问题。这些问题包括将紧固操作整合到序列中、考虑自然材料变形（如木材的翘曲或弯曲），以及机器人末端执行器的物理限制。如果不解决这些因素，ASP方法生成的序列可能对机器人执行来说不可行或效率低下。
为了解决这些限制，本研究开发了一种用于机器人木墙预制的自动化ASP方法。该方法将立柱放置和紧固操作整合到一个统一的排序过程中。使用参数化几何表示（PGR）模型和相应的八参数关系矩阵，可以从设计几何数据自动生成缺失的紧固数据，从而最大限度地减少人工输入。然后应用改进的A*算法（带有依赖性管理功能）来生成接近最优的序列，同时考虑工具碰撞风险和末端执行器的可达性。
本文的其余部分结构如下：第2节回顾了有关机器人预制和ASP方法的相关文献；第3节概述了研究目标；第4节详细描述了所提出的方法及其三个关键模块；第5节讨论了该方法在仿真环境中的实现；第6节通过一系列验证实验评估了其性能；最后，第7节总结了本文的贡献和未来研究的方向。
文献综述
异地建造方法已成为建筑行业的一个新兴趋势[8]。然而，总体而言，建筑行业的生产效率几十年来一直落后于其他行业。麦肯锡全球研究所指出，预制、模块化和自动化可以将行业生产效率提高5到10倍[9]。通过将现场工作的部分转移到室外的预制工厂中，异地建造方法可以提高效率、降低成本，并减少
研究目标
本研究旨在开发一种用于机器人木墙框架的组装顺序规划方法，该方法能够根据机器人末端执行器的可达性和木墙框架的材料特性自动生成可行且接近最优的序列。为了解决识别组装序列的挑战，所提出的ASP方法应具备以下能力：
1.根据框架的几何布局自动生成紧固数据。
2.避免“隐藏”动作
方法论
本研究提出了一种考虑机器人可建造性和材料几何特性的ASP方法，适用于机器人木框架的预制。该方法包括三个主要模块：数据预处理、立柱放置排序和组装顺序优化（图2）。数据预处理模块以设计文件（如CAD、BIM模型等）为输入，提取立柱布局数据，并将其存储为参数化几何表示中的列表
实施
所开发的ASP方法是使用RoBIM Simulator和C#脚本实现的。RoBIM是一款基于Unity 3D平台的商业离线编程工具，它为规划、模拟和控制机器人系统提供了虚拟环境，并内置了主要制造商的工业机器人臂的运动学求解器[71]。此外，该工具还允许用户从BIM软件（如Autodesk Revit）导入建筑设计。验证
为了验证所提出方法的有效性和效率，进行了使用五种不同墙框设计的可行性验证，并比较了三种不同的ASP方法。测试使用了与实施部分中描述的相同的RoBIM Simulator机器人单元配置。使用的四种墙框设计来自杨成轩和康世忠的研究[51]（W001、W002、W003、W004），以及实施部分中的示例框架（W000）讨论
本研究开发了一种用于机器人木框架的组装顺序规划方法。通过可行性测试和性能评估，验证了该方法能够根据给定的框架布局信息成功生成组装序列。以下小节讨论了本研究的主要贡献以及未来仍需研究的问题。结论
本文提出了一种用于机器人木墙预制的组装顺序规划方法。该方法将立柱放置和紧固操作整合到一个自动化排序过程中，考虑了紧固约束、材料特性和机器人可达性，从而生成无工具碰撞且可行的序列。
为了验证ASP方法的有效性和效率，进行了两项测试。首先，可行性测试验证了该方法
作者贡献声明
杨成轩：撰写初稿、验证、方法论、概念构思。蔡良婷：验证、软件开发、概念构思。陈玉香：监督、概念构思。康世忠：监督、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
