综述：多机器人集群增材制造：路径综述、关键技术及现场部署考量

《AUTOMATION IN CONSTRUCTION》：Multi-robot cluster additive manufacturing: review of pathways, enabling technologies, and construction-aware deployment

　　•综合了145项关于建筑领域多机器人集群构建的研究。
•定义了多机器人集群（MRC）、机器人组装及相关系统的证据边界。
•揭示了地面、空中和混合型MRC技术路径的不同成熟度水平。
•将多机器人协同与材料状态、结构状态和质量状态联系起来。
•优先考虑阻碍构建级和现场就绪MRC部署的障碍。

**引言**
建筑领域的增材制造（AMC）已成为数字化建造的关键推动者，它允许分层制造定制的、几何形状复杂的建筑构件，同时有可能减少模板使用、劳动力成本、材料消耗和建造时间[1,2]。这些能力对于建筑环境尤为重要，因为建筑环境仍然高度依赖资源和能源，消耗了全球大部分原材料，并且占全球能源和过程相关碳排放的三分之一以上[3,4]。随着城市化进程的加快，对可扩展、适应性强且资源效率高的建造方法的需求日益增加，这促使建筑工程、机器人技术、建筑学、材料科学和数字制造领域的兴趣不断增长[5,6]。早期的AMC系统主要依赖于单一平台配置，包括龙门打印机、桥式起重机系统、缆绳驱动的机器人、关节式机械臂和移动操作器[7,8]。尽管这些平台展示了在建筑规模上进行材料沉积的可行性，但每种配置都有其内在限制[9]。龙门式、桥式起重机和缆绳驱动的系统具有良好的载荷能力和定位稳定性，但受到固定工作范围和复杂设置要求的限制[10]。关节式机械臂提供了更大的几何灵活性，但其活动范围有限，通常需要重新定位或外部移动支持[7]。移动平台增加了空间覆盖范围，但在定位、地形变化、软管管理、材料供应和过程稳定性方面带来了挑战[8]。空中AMC和无人机辅助建造能够扩展到高处或危险区域的使用，但受到载荷限制、飞行耐力、风效应、安全规定和沉积精度的限制[11,12]。总的来说，这些限制表明仅通过优化单一平台无法实现可扩展性。

为了克服这些限制，提出了用于AMC的多机器人集群构建（MRC）[13,14]。在本综述中，AMC导向的MRC被定义为在建筑规模上的增材制造工作流程，其中两个或多个同质或异质的机器人单元通过协同沉积、材料供应、定位、过程监控或反馈控制直接支持材料沉积或建造过程。只有当它们在功能上与AMC工作流程耦合时，才会包括机器人组装、仅用于检测的系统以及一般的建筑物流。这一边界将AMC导向的MRC与一般的多机器人系统、群体机器人技术和协作机器人建造区分开来，强调了与材料-过程行为、结构性能和现场特定约束的直接集成[14,15]。

**AMC导向MRC的核心挑战**
在AMC导向的MRC中，核心挑战是在确保材料连续性、几何精度、层间粘合、早期结构稳定性、补强兼容性、质量保证和现场安全的同时协调多个机器人。与传统多机器人系统不同，传统系统的绩效指标主要是任务分配、碰撞避免和通信效率，而在AMC中，协调直接影响最终建造的构件。沉积顺序、机器人间距、材料输送、层间时机、泵的同步以及检测反馈都会影响设置或固化行为、可建造性、尺寸公差、层间粘合强度、结构安全性和合规性[16,17]。这些因素使得AMC导向的MRC成为一个独特的综述问题，而不仅仅是现有多智能体机器人技术的简单扩展。

尽管研究活动日益增加，但相关文献在机器人学、建筑学、建筑工程、材料科学和控制工程等领域仍然分散[18]。许多研究集中在单个组件上——如协同路径规划、末端执行器设计、材料配方、传感或数字孪生框架——但对这些组件如何在特定于建造的约束条件下相互作用的理解有限[19,20]。为了填补这一空白，本综述侧重于协调性、材料-过程耦合、结构稳定性、现场不确定性、质量保证和现场部署准备情况，从而弥合算法驱动的多机器人协调与时间依赖的材料行为之间的差距。

**及时进行AMC导向MRC专项综述的三个原因**
首先，该领域已经从静态的单平台打印扩展到了包括移动式、空中和异构机器人系统。在本综述分析的数据集中，145项研究中有108项是在2019年至2026年间发表的，表明研究增长迅速。其次，之前关于AMC、建筑3D打印、建筑机器人、空中建造、群体机器人技术和基于数字孪生的质量控制的综述虽然都提供了重要的基础，但它们的覆盖范围仍然主要集中在特定领域[11,14,[18],[19],[20]]。如表1所示，现有的综述通常分别关注打印过程、可打印材料、机器人平台、数字工作流程或集体协调。它们很少从集成材料-结构-机器人的角度综合地面、空中和混合型的AMC导向多机器人工作流程。第三，MRC的实际部署提出了许多之前综述中尚未充分解决的现实问题，包括材料输送、补强集成、过程质量控制、人类监督、互操作性、网络安全、结构认证以及分阶段工业应用[21,22]。澄清这些问题不仅对AMC研究人员很重要，也对寻求规模化标准的建筑工程师、开发具有建造意识的协调方法的机器人学家、关心可建造性和补强的材料和结构研究人员，以及对可扩展、低碳或极端环境建造感兴趣的各方利益相关者都很重要。

因此，本综述旨在：(i) 将AMC导向的MRC定义为一个新兴的研究对象；(ii) 综合地面、空中和混合平台的相关研究；(iii) 识别限制当前系统的协调-材料-结构耦合；(iv) 提出一个考虑建造需求的分析框架，以指导未来的研究和部署。为了实现这些目标，讨论了四个研究问题：(1) 是哪些单一平台的限制促使了MRC的发展？(2) 出现了哪些地面、空中和混合型的MRC类型，以及哪些机制支持协调、感知、通信、规划、材料输送、补强集成和质量控制？(3) 建造特定的约束如何与AMC中的多机器人协调相互作用？(4) 哪种分析框架和未来的研究重点能够支持可靠的现场就绪MRC？

**方法论**
为了研究建筑领域增材制造的多机器人集群构建（AMC导向的MRC），本研究采用了系统的文献综述方法。该方法包括三个主要阶段：(i) 文献搜索；(ii) 文献筛选；(iii) 文献分析。文献搜索、筛选和适用性评估遵循了基于PRISMA的工作流程，以提高综述的透明度和可重复性，如图2所示，并进一步详细解释。

**从AMC到MRC的路径**
AMC已经从固定的单一平台系统扩展到移动式、空中、缆绳悬挂以及越来越协调的机器人配置。这种转变不仅是由扩大建造工作空间的需求推动的，也是由于需要在特定现场条件下协调材料输送、沉积时机、传感、补强集成、过程检测和质量控制的需求。本节回顾了主要的地面、空中和与AMC相关的路径。

**多机器人集群构建（MRC）技术**
多机器人集群构建通过协调具有互补或共享功能的多个机器人代理，将AMC扩展到了超出单机器人制造的范围。本节从四个方面探讨了MRC：其概念定位和证据边界、代表性系统类型、协调和控制架构，以及所需的感知、通信、规划和运动执行技术。特别关注多机器人如何在AMC中实现这些功能。

**AMC导向MRC的建造感知分析框架**
本节提出了一个用于理解和评估AMC中MRC的建造感知分析框架。该框架基于一个核心前提：在增材建造中，机器人协调必须通过建造构件的演变状态来解释。沉积动作不仅改变了几何形状，还影响了材料老化、表面状况、层间时机、局部载荷分布和早期稳定性。因此，MRC不能仅通过任务完成情况来评估。

**讨论**
前面的章节表明，AMC导向的MRC已经从孤立的机器人概念发展到了更加集成化的建造工作流程，涉及地面机器人、空中平台、混合配置、传感系统、协调策略和反馈机制[105,106]。然而，从机器人演示到建筑级MRC的转变仍然不完整。许多现有研究表明，多个机器人可以协调运动、分配任务、遵循轨迹。

**部署障碍和未来研究方向**
尽管多机器人协调和使能技术取得了进展，但从实验演示将AMC导向的MRC转化为实际建筑规模的部署仍然受到相互依赖的技术、材料、结构和运营挑战的限制。这些障碍不仅包括机器人自主性，还包括建造感知协调、材料输送和补强集成、结构认证、过程验证、安全性、互操作性和数字信任等方面的问题。

**结论**
本综述综合了145项研究，以探讨建筑领域增材制造的多机器人集群构建（MRC）。研究表明，AMC导向的MRC不应被简单地理解为单机器人打印的扩展或通用的多机器人协调问题，而是一个与建造状态紧密相关的协调问题，在其中机器人动作与材料演变、结构形成、质量验证和现场条件紧密耦合。

**作者贡献声明**
余正文：资源获取、数据整理。张云生：验证、调查。左文强：资源获取、形式分析、概念化。刘志勇：方法论。夏景良：验证、形式分析。金祖权：监督、调查。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

**致谢**
作者感谢中国国家自然科学基金（52478255, U21A20150）、甘肃省科技计划（25JRRA120）和甘肃省教育厅研究生“创新之星”计划（2026CXZX-527）的财政支持。作者还要感谢程刘、薛伟和张久福在数据收集和初步分析方面的宝贵帮助。

**作者列表**
余正文 | 张云生 | 张宇 | 左文强 | 刘志勇 | 夏景良 | 金祖权