FCDG-26多功能智能建造机器人实训系统

一、面向专业和课程

面向专业：智能建造、机器人工程、自动化等工程类专业；

适用的课程涵盖以下5门：自动控制原理，传感器原理与技术(计算机视觉方向)，机器人基础，智能建造算法基础，智能建造（施工运维方向）。

二、产品概述

多功能建造机器人工作站采用1台六轴协作机械臂、2套3D视觉系统、1套深度视觉系统、1套移动导轨平台。在工作台上方设置三个作业区域，分别为建筑材料堆放区域、砌筑区域、拓展区域（铺砖、钢筋绑扎等）。其中，3D视觉系统分别安装在建筑材料堆放区域和砌筑区域，通过三维点云分析，判断建筑材料的堆料和作业状况，实现对机械臂的抓取引导。深度视觉系统安装在机械臂末端，为机械臂作业提供实时的环境感知能力。

在技术实现上，比如当控制机械臂对物料进行抓取时，3D视觉系统能为机械臂提供需要抓取的位置和角度信息，进而完成相应的抓取任务；当控制机械臂进行作业时，深度视觉系统能实时监测工作区域的建筑材料施工角度、位置，确保机械臂按照既定的作业任务实现自动工作。

1.教学内容

在机器人工作范围内，将工作台台面进行清理，并在指定区域内划分为物料存放区域和机器人施工区域，通过软件设置机器人的运动速度、作业类型、参数等，由机器人自动完成施工作业，教师在此基础上，对整体功能进行拆解教学，授课示教。

2.操作流程

1）布置实施现场

整理好作业区域，确保区域内平整，以便于机器人施工。同时，在机器人的作业区域内放置需要的建筑材料。将机器人安装在导轨上方，并设置好机器人运动的方向、速度和固定装置。

2）启动工作站

设备上电，启动机器人和相机控制系统，调试机器人姿态。通过查看机器人的视觉系统状态、机械臂运动情况，确保机器人的运动正常、作业精度及稳定性。同时观察工作站上多相机的工作状态和画面信息，调整相机的运行参数，确保画面清晰。

3）选择作业任务

通过控制软件选择工作台上方机器人的工作任务。首先根据不同任务下的工作指令和工作内容，获取不同相机采集到的图像信息，以此来感知不同任务下的工作环境。控制软件根据环境下的实时信息，判断机械臂能否正常作业，再予以复位启动。

4）调整作业参数

通过控制软件设置机器人的起点位置（抓取方位）、终点位置（工作方位）、机械臂运动路径，以及调整机器人工作时的实施参数。

5）自动作业

启动机器人，机器人根据3D视觉系统的反馈信息，以及所设置的运动路径，自动进行工作作业。在工作过程中，操作人员根据实际施工情况，能够灵活调整机器人施工参数和作业方向。

三、产品功能

1.砌筑机器人

将六轴协作机械臂末端工具更换为抓取砖块的专用夹爪，通过3D相机、深度相机对建筑材料堆放区域和砌筑区域进行高精度扫描，引导机械臂根据系统设定的砖块位置、砌筑高度等作业参数进行精准作业。详细工作流程如下：

在这一任务过程中，机器人首先通过工作站内置的3D相机对作业区域进行高精度扫描，构建出作业环境的数字模型。随后，系统根据预定的工作路径，计算出每一块砖的放置位置与角度。六轴协作机械臂负责精确抓取砖块，并根据指令灵活调整砌筑姿态，确保每一块砖都能准确无误地放置在指定位置。同时，机械臂末端的深度相机能够实时监测砌筑过程，通过视觉反馈系统调整机械臂的运动轨迹，确保砌筑质量达到设计要求。

2.铺贴机器人

将六轴协作机械臂的末端工具更换为吸取瓷砖的专用吸盘，通过3D相机、深度相机对建筑材料堆放区域和作业场景进行高精度扫描，引导机械臂根据系统设定的缝隙大小、对齐情况等作业参数进行精准作业。详细工作流程如下：

与自动砌筑类似，机器人在进行铺砖/贴砖前，机器人会先对施工区域表面进行扫描，识别出不平整区域并提示进行处理，以确保施工面的平整度。随后，系统根据砖块尺寸，规划出机械臂最优的作业路径。六轴协作机械臂则负责将砖块从物料堆放区精准地搬运至铺设位置，并通过自主调整机械臂姿态，实现砖块之间的紧密贴合。在作业过程中，深度相机持续监测砖块间的缝隙大小、对齐情况等关键施工数据，确保铺砖效果达到设计要求。

3.钢筋网绑扎机器人

将六轴协作机械臂的末端工具更换为自动绑扎工具，通过深度视觉系统对作业场景进行高精度扫描，引导机械臂根据扫描的图像信息逐一完成绑扎作业任务。详细工作流程如下：

机器人抵达作业区域后，首先通过深度相机对钢筋骨架进行扫描，识别出每根钢筋的位置和形态。随后，系统根据设定的钢筋绑扎要求，规划出绑扎路径和绑扎点。六轴协作机械臂则携带绑扎工具，按照指令逐一完成绑扎作业。在绑扎过程中，机械臂末端的深度相机实时监测绑扎位置和质量，确保每个绑扎点都牢固可靠。此外，根据钢筋的直径和类型，系统支持调整作业参数，实现自动调整绑扎力度和绑扎方式，以适应不同类型的施工需求。

四、关键技术

1.机器人在建筑领域的应用

六轴协作机械臂通过灵活地安装吸盘、夹爪等多种精密工具，实现了从基础施工到精细作业的全链条覆盖。比如吸盘的应用，允许机器人在垂直或水平的表面上稳定作业，如墙砖/地砖铺设、高楼幕墙安装等；夹爪能够精准抓取并搬运砖石、预制构件等，在特殊场景下，可选装定制结构的夹爪进行施工，减少了人力需求及搬运过程中的损耗。

2.建筑材料的三维形态分析与抓取

多功能智能建造机器人系统使用了高清2D相机、3D相机等设备，构建出建筑材料及其周围环境的精确三维模型。系统能够自动识别实训台上复杂环境中的各种建筑材料，包括建筑材料的形状、尺寸、位置，为后续机械臂的抓取提供精确指导，确保机械臂在复杂环境中也能实现稳定、精准的抓取任务。

3.建造机器人系统协同控制

多功能智能建造机器人系统基于先进的网络通信能力和实时的数据共享能力，确保机械臂与系统之间能够即时交换状态信息、任务指令及环境感知数据。系统根据设定的作业要求与相机感知到的现场情况，自动向机械臂分配任务、规划路径、协调动作，实现机械臂自主完成砌筑、铺砖、钢筋网绑扎等多项作业功能。

五、主要硬件参数

1.六轴协作机械臂

采用节卡品牌的C5协作机械臂，其末端负载为5kg，臂展954mmn，满足项目作业要求。

具体参数如下：

自由度：6轴；

底座尺寸：158×158（mm）；

工作半径：954mm；

额定负载：5kg；

重复定位精度：±0.05mm；

净重：23kg（含线缆）；

输入电源：DC 24V；

通信接口：TCP/IP，Modbus TCP，Modbus RTU；

I/O接口：数字输出：2路；数字输入：2路；模拟量输入：1路；

编程：图形化编程、拖拽编程；

安装方式：任意角度安装；

材质：铝合金、PC；

工作温度：0℃~50℃。

2.3D视觉系统

采用知象科技的Surface HD系列3D相机，该相机可满足从60mm到2600mm测量距离下的多种工作任务。在60mm到150mm的工作距离，Surface HD的最高精度可达0.02mm，适用于精度要求高的芯片、微小元器件的扫描与检测作业。在150mm到1200mm的工作距离，Surface HD可以高效完成相应的物流分拣、检测、上下料、工件找正、组装等任务。在1200mm到2600mm的工作距离，将Surface HD应用于对大中型物体的识别、检测，还可完成路径规划、分拣、码垛等任务。

具体参数如下：

成像原理：双目结构光；

光源：红外激光；

工作距离：500±250mm；

FOV：H55°x V36°；

视场边长@工作距离（mm）：210×160mm@250mm；520×320mm@500mm；735×490mm@750mm；

点距@工作距离：0.273mm@500mm;

重复精度：±0.15mm；

深度图分辨率@最大帧率：1920x1200@8fps：960x600@10fps;

彩色图分辨率：1920x1080@20fps；

数据输出：彩色图+深度图；

最小采集时间：单帧深度图最小采集时间为50ms，传输时延迟50ms；

数据接口：千兆以太网，支持POE供电；USB3.0；

支持操作系统：Linux（Ubuntu18.04）；Windows 8/10。

3.深度视觉系统

深度视觉系统采用1台200万像素深度体感摄像头，安装于机械臂末端，用于目标的精确定位与机械臂引导。摄像头可兼容ubuntu，linux和树莓派等操作系统，兼容USB3.0接口协议，可进行深度信息感知、活体识别等。摄像头内置立体深度算法，可实现更准确的深度感知及更远的范围。通过校准，立体深度感知的误差率低至2%，在室内和室外环境中最远可捕获相距达10米的数据。可进行AI视频图像分析，拍摄人脸、车辆、仪表设备等视频图像，综合分析研判，确保场所安全。

深度视觉系统具体参数如下：

使用环境：室内和室外

深度技术：双目结构光

深度范围：0.15-10m

深度视野：（横向×纵向×对角线）91°×66°×101°

深度流输出分辨率：达1280×800

深度流输出帧速率：1280×800@90fps

最小深度距离（Min-Z）：0.15米

红外信号发射器功率：可配置至达425毫瓦（mW）峰值

RGB输出分辨率：1920×1080

RGB输出帧速率：1920×1080@30fps

RGB传感器视野：（横向×纵向×对角线）86°×55°×94°

摄像头尺寸：（长度×厚度×高度）90毫米×25毫米×30毫米

ROS支持：ROS1 & ROS2

4.水平移动滑轨

选用水平方向的移动滑台，搭配光电传感器，通过IO控制器接入边缘计算终端，实现与其他系统模块的协同。

主要技术参数和特点如下：

尺寸和材质：长度2600mm，铝合金材质；

运行负载：≥20kg；

最大运行速度：≥300mm/s；

重复定位精度：土0.05mm

标配电机：步进电机

5.运算单元

采用工业级结构，体积小巧，外形紧凑，安装windows10系统，集成C++、OpenCV等运行环境，支持数字图像处理、3D视觉、机器人等硬件或应用的开发和学习。

主要技术参数和特点如下：

（1）处理器：酷睿i7；内存：16G工控内存；硬盘：512G固态硬盘；显存：4G；网口：4个千兆网口;

（2）支持linux嵌入式操作系统，满足嵌入式操作系统教学；

（3）内置Python3.5以上版本的运行环境，满足Python、机器学习、深度学习的编程与AI教学；

（4）支持多种类计算机视觉、机器人、复杂传感器与智能控制等关键技术的组合实验，可支持多种不同模块同时联动实验。

五、应用场景