Leg-Arm Coordinated Operation for Curtain Wall Installation
作者: Xiao Liu, Weijun Wang, Tianlun Huang, Zhiyong Wang, Wei Feng
分类: cs.RO
发布日期: 2025-09-16
💡 一句话要点
针对幕墙安装，提出一种基于六足机器人腿-臂协同的分层优化控制框架
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 六足机器人 幕墙安装 腿臂协同 分层优化 全身控制 机器人控制 建筑自动化
📋 核心要点
- 传统幕墙安装劳动强度大、效率低、安全风险高，难以适应复杂地形和大型面板安装。
- 提出一种分层优化控制框架，协调六足机器人腿部运动与机械臂操作，实现全身协同。
- 实验验证了该控制方法在幕墙安装任务中的有效性，为复杂环境应用奠定基础。
📝 摘要（中文）
随着城市化进程的加速，高层建筑和大型公共设施的数量不断增加，幕墙作为现代建筑的重要组成部分得到了广泛应用。传统的幕墙安装方法面临着现场地形多变、劳动强度大、施工效率低和安全风险高等挑战。大型面板通常需要多名工人才能完成安装。为了解决这些问题，本文基于六足幕墙安装机器人，设计了一种基于分层优化的全身控制框架，用于协调臂腿规划，以适应墙体安装、天花板安装和地板铺设这三个关键任务。该框架集成了六足机器人的腿部运动与折叠臂和串并联机械手的操作。我们在六足幕墙安装机器人上进行了实验，验证了所提出的控制方法，证明了其在执行幕墙安装任务中的能力。我们的结果证实了基于分层优化的臂腿协调框架对于六足机器人的有效性，为其在复杂建筑工地环境中的进一步应用奠定了基础。
🔬 方法详解
问题定义：传统幕墙安装依赖人工，效率低下且安全性差，尤其是在高层建筑和复杂地形环境中。现有方法难以同时兼顾机器人的移动灵活性和操作精度，缺乏有效的全身协同控制策略。
核心思路：本文的核心思路是设计一种分层优化控制框架，将六足机器人的腿部运动和机械臂的操作进行解耦和协同优化。通过分层优化，可以分别控制机器人的移动和操作，同时保证两者之间的协调性，从而提高安装效率和精度。
技术框架：该框架主要包含以下几个模块：1) 任务规划模块：根据幕墙安装任务的需求，生成机器人的运动轨迹和机械臂的操作序列。2) 腿部运动规划模块：基于六足机器人的运动学和动力学模型，规划腿部的运动轨迹，保证机器人的稳定性和移动效率。3) 机械臂操作规划模块：根据任务需求和环境约束，规划机械臂的操作轨迹，保证操作的精度和安全性。4) 分层优化控制模块：通过分层优化算法，协调腿部运动和机械臂操作，实现全身协同控制。
关键创新：该方法的主要创新在于提出了一个分层优化控制框架，能够有效地协调六足机器人的腿部运动和机械臂的操作。与传统的控制方法相比，该框架能够更好地适应复杂地形和任务需求，提高安装效率和精度。此外，该方法还考虑了机器人的稳定性和安全性，保证了机器人在工作过程中的可靠性。
关键设计：具体的技术细节包括：1) 腿部运动规划采用基于优化的轨迹生成方法，考虑了机器人的运动学约束和动力学约束。2) 机械臂操作规划采用基于逆运动学的轨迹生成方法，保证操作的精度和安全性。3) 分层优化控制采用二次规划算法，将腿部运动和机械臂操作的优化目标进行分解和协调。4) 损失函数的设计考虑了机器人的稳定性、操作精度和能量消耗等因素。
📊 实验亮点
实验结果表明，所提出的分层优化控制框架能够有效地协调六足机器人的腿部运动和机械臂的操作，实现幕墙的精确安装。与传统的人工安装相比，该方法能够显著提高安装效率和精度，并降低安全风险。具体的性能数据（如安装时间、精度等）在论文中进行了详细的展示和分析。（具体数据未知，原文未提供）
🎯 应用场景
该研究成果可应用于高层建筑、大型公共设施等复杂环境下的幕墙安装作业。通过使用六足机器人进行自动化安装，可以显著降低劳动强度，提高施工效率，并降低安全风险。此外，该技术还可扩展到其他建筑构件的安装，如玻璃、石材等，具有广阔的应用前景和实际价值。未来，该技术有望推动建筑行业的智能化和自动化发展。
📄 摘要（原文）
With the acceleration of urbanization, the number of high-rise buildings and large public facilities is increasing, making curtain walls an essential component of modern architecture with widespread applications. Traditional curtain wall installation methods face challenges such as variable on-site terrain, high labor intensity, low construction efficiency, and significant safety risks. Large panels often require multiple workers to complete installation. To address these issues, based on a hexapod curtain wall installation robot, we design a hierarchical optimization-based whole-body control framework for coordinated arm-leg planning tailored to three key tasks: wall installation, ceiling installation, and floor laying. This framework integrates the motion of the hexapod legs with the operation of the folding arm and the serial-parallel manipulator. We conduct experiments on the hexapod curtain wall installation robot to validate the proposed control method, demonstrating its capability in performing curtain wall installation tasks. Our results confirm the effectiveness of the hierarchical optimization-based arm-leg coordination framework for the hexapod robot, laying the foundation for its further application in complex construction site environments.