CONCERT: a Modular Reconfigurable Robot for Construction

📄 arXiv: 2504.04998v1 📥 PDF

作者: Luca Rossini, Edoardo Romiti, Arturo Laurenzi, Francesco Ruscelli, Marco Ruzzon, Luca Covizzi, Lorenzo Baccelliere, Stefano Carrozzo, Michael Terzer, Marco Magri, Carlo Morganti, Maolin Lei, Liana Bertoni, Diego Vedelago, Corrado Burchielli, Stefano Cordasco, Luca Muratore, Andrea Giusti, Nikos Tsagarakis

分类: cs.RO

发布日期: 2025-04-07

备注: The paper is currently under review at the Journal of Field Robotics. We will update the related information in case of acceptance

DOI: 10.1002/rob.70092

💡 一句话要点

CONCERT：一种用于建筑施工的可重构模块化机器人

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 模块化机器人 可重构机器人 建筑机器人 协作机器人 机器人控制 运动学 自动化

📋 核心要点

  1. 现有建筑工地机器人缺乏灵活性，难以适应多变的施工任务需求，需要一种能够快速重构以适应不同任务的机器人。
  2. CONCERT机器人通过模块化设计，允许快速添加或移除模块来改变其运动学结构，从而适应不同的工作空间和任务需求。
  3. 实验验证了CONCERT机器人在钻孔、打磨、粉刷和协作运输等多种建筑任务中的适应性和性能，证明了其在实际建筑工地场景中的应用潜力。

📝 摘要（中文）

本文介绍了一种完全可重构的模块化协作机器人（cobot）CONCERT，用于建筑工地的多种现场操作。CONCERT的设计旨在通过利用高功率密度电机和模块化两大特性来支持建筑工地的人工作业。因此，该机器人能够通过充当人工操作员的协作者或按照用户指令自主执行任务来执行各种高要求的任务。其多功能性主要来自于快速改变其运动学结构的可能性，通过添加或移除被动或主动模块来实现。通过这种方式，机器人可以设置成各种形态，从而根据要执行的任务改变其工作空间和能力。同样，可以更换末端执行器以执行不同的操作。本文还全面描述了用于自动发现和部署机器人形态的软件流程。具体来说，根据安装的模块，机器人会更新运动学、动力学和几何参数，同时考虑每个模块中嵌入的信息。通过这种方式，我们展示了机器人如何在不到十分钟内完全重新组装并投入使用。我们在不同的用例中验证了CONCERT机器人，包括钻孔、打磨、粉刷以及具有避障功能的协作运输，所有这些都在真实的建筑工地场景中执行。我们展示了机器人在功率和工作空间方面具有不同要求的多种场景中的适应性和性能。CONCERT由意大利理工学院的人形和以人为中心的机电一体化实验室（HHCM）在欧洲地平线2020 CONCERT项目的背景下设计和建造。

🔬 方法详解

问题定义：现有建筑工地机器人通常是固定配置，难以适应不同的施工任务。例如，钻孔、打磨和粉刷等任务需要不同的运动范围和末端执行器。现有机器人缺乏灵活性，导致效率低下，且需要多种专用机器人，增加了成本和复杂性。因此，需要一种能够快速重构以适应不同任务的机器人系统。

核心思路：CONCERT机器人的核心思路是模块化和可重构性。通过将机器人分解为多个模块，可以根据任务需求添加或移除模块，从而改变机器人的运动学结构和工作空间。这种模块化设计允许机器人适应不同的任务，而无需更换整个机器人。此外，机器人还配备了可更换的末端执行器，进一步提高了其多功能性。

技术框架：CONCERT机器人的整体架构包括以下几个主要模块：1) 模块化硬件：包括主动模块（带有电机）和被动模块（连接件），允许快速组装和拆卸。2) 软件流程：用于自动发现和部署机器人形态，根据安装的模块更新运动学、动力学和几何参数。3) 控制系统：用于控制机器人的运动和末端执行器的操作。该流程首先检测已安装的模块，然后根据模块信息自动生成机器人的运动学模型，最后使用该模型控制机器人的运动。

关键创新：CONCERT机器人的关键创新在于其完全可重构的模块化设计和自动形态发现与部署的软件流程。与传统的固定配置机器人相比，CONCERT可以快速适应不同的任务需求。自动形态发现与部署的软件流程简化了机器人的配置过程，使得用户无需手动配置机器人的运动学参数。

关键设计：CONCERT机器人的关键设计包括：1) 高功率密度电机：保证机器人能够执行高要求的任务，如钻孔和打磨。2) 模块化连接器：允许快速和安全的模块连接和拆卸。3) 嵌入式模块信息：每个模块都包含自身的信息，如类型、尺寸和连接位置，方便软件流程自动识别和配置机器人形态。4) 软件流程采用基于ROS的架构，方便与其他机器人软件集成。

📊 实验亮点

CONCERT机器人在真实的建筑工地场景中进行了验证，包括钻孔、打磨、粉刷和协作运输等任务。实验结果表明，CONCERT机器人能够在不到十分钟内完成重新组装和配置，并能够有效地执行各种建筑任务。例如，在协作运输任务中，CONCERT机器人能够安全地避开障碍物，并与人类操作员协同工作。这些实验结果证明了CONCERT机器人的适应性和性能。

🎯 应用场景

CONCERT机器人可应用于各种建筑施工场景，例如：室内装修（钻孔、打磨、粉刷）、外墙维护、桥梁检测和维护等。其模块化设计使其能够适应不同的工作空间和任务需求，降低了施工成本，提高了施工效率，并减少了人工操作的危险性。未来，CONCERT机器人有望成为建筑工地上不可或缺的智能助手。

📄 摘要（原文）

This paper presents CONCERT, a fully reconfigurable modular collaborative robot (cobot) for multiple on-site operations in a construction site. CONCERT has been designed to support human activities in construction sites by leveraging two main characteristics: high-power density motors and modularity. In this way, the robot is able to perform a wide range of highly demanding tasks by acting as a co-worker of the human operator or by autonomously executing them following user instructions. Most of its versatility comes from the possibility of rapidly changing its kinematic structure by adding or removing passive or active modules. In this way, the robot can be set up in a vast set of morphologies, consequently changing its workspace and capabilities depending on the task to be executed. In the same way, distal end-effectors can be replaced for the execution of different operations. This paper also includes a full description of the software pipeline employed to automatically discover and deploy the robot morphology. Specifically, depending on the modules installed, the robot updates the kinematic, dynamic, and geometric parameters, taking into account the information embedded in each module. In this way, we demonstrate how the robot can be fully reassembled and made operational in less than ten minutes. We validated the CONCERT robot across different use cases, including drilling, sanding, plastering, and collaborative transportation with obstacle avoidance, all performed in a real construction site scenario. We demonstrated the robot's adaptivity and performance in multiple scenarios characterized by different requirements in terms of power and workspace. CONCERT has been designed and built by the Humanoid and Human-Centered Mechatronics Laboratory (HHCM) at the Istituto Italiano di Tecnologia in the context of the European Project Horizon 2020 CONCERT.