综述：恶劣环境下的机器人模块化装配：基于框架的概念综述

《AUTOMATION IN CONSTRUCTION》：Robotic modular assembly in harsh environments: Framework-driven conceptual review

　　

•恶劣环境对机器人模块化装配的可行性施加了复合约束。
•ERTT 框架连接了环境、机器人、任务和轨迹约束层。
•寒冷暴露以可测量的方式降低了机器人执行器和感知性能。
•接口公差和顺序是机器人闭合的关键瓶颈。
•基于 IFC 的机器人集成使得 DfRA 能够在 AECO 设计工作流程中实施。

引言
建筑自动化已从早期关于普及机器人的愿景 [1] 发展到对现场机器人技术的系统综述 [2] 以及近期显示研究持续增长的书证证据 [3]。然而，将机器人建筑从受控或温带工地扩展到极寒和恶劣环境，引入了一个定性不同的约束结构。在零度以下的环境中，机器人面临机电降额（例如润滑脂硬化、电池性能损失）以及实际部署障碍，这些障碍反复被确定为可持续建筑机器人的关键挑战 [4]。同时，建筑物本身表现出温度驱动的材料变化和连接处的几何漂移（例如收缩、脆性、延展性降低），这缩小了对接和校准的允许公差。颜综述了寒冷地区温度下的材料和结构行为 [5]，小等人专注于极地应用的低温钢 [6]，而 Braun 和 Ehlers 综合了零度以下疲劳评估方法 [7]。并行地，极地等极端环境施加了严格的物流和施工窗口约束，重塑了建筑和结构设计策略，包括外壳系统、基础和施工计划 [8]。这些现实意味着单一算法或子系统并不能决定可行性；相反，环境驱动因素如何跨尺度传播限制了机器人装配能够可靠执行的内容。

同时，模块化和容积式建筑通常被推广，因为它可以压缩现场工作，减少暴露，并将复杂性转移到工厂。模块化建筑的结构综述强调，连接行为是危险和不确定载荷下系统响应的首要决定因素 [9]。更广泛地说，关于预制和工业化建筑自动化/机器人的综合综述突出了制造和装配技术的快速进步，同时指出设计、生产和现场运营之间存在持续的集成差距 [10]，[11]。在偏远工业环境中，容积式模块进一步被采用作为风险缓解策略，以减少现场劳动力并提高进度确定性，但运输和物流约束仍然是持续的障碍 [12]。总之，恶劣气候和偏远部署不仅仅是给传统模块化建筑增加了“干扰”；它们重新配置了机器人或辅助装配必须运行的可行设计与装配空间。

尽管研究活动迅速增长，但相关知识仍然分散在四个部分重叠的领域。建筑机器人研究在传感、操作、自主性和运动规划方面取得了进步，但主要是围绕相对稳定的现场条件开发的，很少将环境引起的能力降额和接口公差缩小作为主要可行性约束 [13]，[14]。人工智能驱动的数字制造和 DfMA 研究加强了计算设计、过程监控和面向制造的优化，但仍主要集中在受控生产或实验室环境，而不是环境不确定性下的现场部署。Zivkovic 等人综述了人工智能赋能的建筑 3D 打印 [15]，而 Tuvayanond 和 Prasittisopin 综合了数字和增材制造的 DfMA [16]。To?i? 等人展示了模块化混凝土 3D 打印的自由曲面设计优化 [17]。
预制和模块化建筑综述综合了人工智能和机器人应用 [18]，[19]。相关研究解决了生产调度 [20] 和模块化制造中的人机协作 [21]，但没有正式化恶劣环境的闭合约束。同时，恶劣环境机器人已经开发出了韧性、自主性和感知的重要方法，用于核能、海底、采矿和行星环境，但很少涉及建筑尺度的模块对接、连接安装和公差关键的闭合 [22]。
因此出现了一个一致的差距：没有综合性的综合研究将恶劣环境驱动因素与机器人能力退化、任务级装配要求和轨迹级可行性连接在一个跨尺度模型中。为了使这一差距更加透明，表 1 将此综述定位在四个最接近的先前综述集群中，并明确进行了区分。
图 1 进一步将此综述定位在现有的模块化/场外施工、数字制造和建筑机器人综合研究中，突出了恶劣环境约束下缺失的跨尺度联系。
为了解决这一差距，本综述使用环境 - 机器人 - 任务 - 轨迹（ERTT）结构作为分析透镜。现有的施工过程模型、机器人系统架构和恶劣环境系统框架解决了工作流程、控制和鲁棒性的互补方面，但没有共同追踪环境暴露如何影响建筑特定的闭合要求和运动可行性。ERTT 的正式定义和方法论论证将在第 2.1 节中提供。
本综述提供了一个由框架引导的结构化综合，阐述恶劣环境暴露如何传播通过机器人能力和任务级闭合要求，从而约束现场模块化装配中的轨迹可行性，并推导出六个基于证据的研究差距以指导未来工作。
本文其余部分组织如下。第 2 节介绍综述方法和 ERTT 分析框架。第 3-5 节综合了影响恶劣环境模块化装配可行性的环境、机器人 - 任务和轨迹级约束。第 6 节确定了由此产生的证据差距和研究议程，第 7 节得出结论。

章节摘要
ERTT 分析框架
环境 - 机器人 - 任务 - 轨迹（ERTT）框架是本综述中用于组织证据综合的分析结构。它追踪了恶劣环境暴露如何限制现场模块化安装和闭合期间机器人运动的可行性。
•E（环境）：外部操作条件，包括极寒、风、能见度降低、复杂地形和离网限制。
•R（机器人）：环境依赖的机器人能力，包括执行、感知、恶劣条件下的模块化和预制

恶劣条件下的模块化与预制
恶劣环境中的机器人模块化装配源于三个研究领域的交汇：模块化和预制建筑，确立了系统架构和接口公差逻辑；建筑机器人，开发了自动感知、操作和装配能力；恶劣环境机器人，表征了偏远、寒冷和暴露密集条件下的操作。它们的交集产生了一个独特的可行性问题：如何

恶劣环境装配中的机器人和任务级约束
在恶劣和偏远的环境中，模块系统特性和预制策略单独并不能决定机器人装配的可行性。环境暴露可能成为建筑、结构和施工系统性能的主要驱动因素，而不是次要干扰 [8]；它同时减少了可用的机器人能力范围，并收紧了模块接口处必须满足的闭合要求。
因此，本节考察了机器人级

任务级需求（Ttask）及其转化为轨迹约束（Ttraj）
第 4 节表明，恶劣环境装配需要公差适应、有界干扰方法和稳定、闭合阶段可观测性，以及在有限返工下的有界修正。当这些任务级要求被表达为执行期间机器人运动、终端状态、感知可用性和资源使用的条件时，它们成为轨迹级可行性约束。
本节考察了由此产生的轨迹可行性包络在

差距与未来方向
尽管关于模块化施工、数字预制和机器人装配的研究取得了显著进展，但它们在恶劣和偏远环境中的应用仍存在巨大差距。第 3-5 节的综合表明，环境条件通过耦合约束影响机器人能力、任务级闭合要求和轨迹可行性；然而，大多数现有研究仍然分别处理这些层次。以下部分确定了主要的

结论
本综述考察了恶劣环境暴露条件，包括极寒、风干扰、能见度降低和远程站点操作限制，如何影响模块化施工现场安装和闭合阶段机器人装配的可行性。该综合阐明了主要约束机制，确定了最重要的证据差距，并概述了向现场可部署机器人模块化装配迈进的优先事项。
本综述

CRediT 作者贡献声明
Rudai Shan：写作 - 审阅与编辑，写作 - 初稿，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法论，调查，资金获取，正式分析，数据整理，概念化。Hongtian Fei：可视化，验证，软件，调查，数据整理。Yaoming Zhuang：写作 - 审阅与编辑，监督，方法论，调查。Chengdong Wu：写作 - 审阅与编辑，监督，资源，方法论。

资金
本工作得到了辽宁省自然科学基金联合基金（项目编号：2023-MSBA-102）、国家自然科学基金委员会（项目编号：62403108）和国家消防救援局重点研发计划（项目编号：2026XFZD05）的支持。

利益冲突声明
作者声明以下财务利益/个人关系，可能被视为潜在的利益冲突：Rudai Shan 报告获得了辽宁省自然科学基金联合基金的财务支持。Yaoming Zhuang 报告获得了国家自然科学基金委员会的财务支持。Yaoming Zhuang 报告获得了国家消防救援局重点研发计划的财务支持。如果有其他作者，他们声明为 Rudai Shan|Hongtian Fei|Yaoming Zhuang|Chengdong Wu|Jiuhong Zhang