Робот для кладки кирпича

Обновлено: 17.05.2024

Робот для кладки кирпича - иллюстрация убожества "цифровых технологий" в реальном мире

Удачно подвернулась статья на Хабре: https://habr.com/ru/post/572966/ "Почему у нас до сих пор нет роботов-каменщиков?". История вопроса рассмотрена основательно (первый разобранный пример - Укладочная машина Джона Томпсона от 1904 года).
Но в данном случае более интересен последний пример - уже из "цифровой эры":
"британская система автоматической укладки кирпичей использует установленную на колёсах систему двухосевого движения, позволяющую заворачивать за углы и решающую проблему переноса робота с этажа на этаж (вместо этого требуется потратить время на первоначальную сборку системы)".
Вот как это убожество выглядит на видео AP (2020 год):

Неимоверно доставляют обильные сопли связующего раствора по краям кладки. Интересно, кто их затем уберет (ведь не сдавать же стену в таком виде)? Гипотеза есть: с 40-й по 50-ю секунду видео можно наблюдать, как за роботизированным убожеством размером с Годзиллу, идет дядька, который перемешивает связующий раствор в емкости.
Внимание, вопрос: не лишний ли тут робот? Почему бы дядьке самому не заниматься кладкой кирпичей? Получилось бы быстрее и аккуратнее (см видео с канала "Магомед Стейшен"):

Процесс показан детально, и методы механизации прокомментированы исчерпывающе.
Это - обыкновенная профессиональная работа по укладке кирпичей.

Можно посмотреть продвинутую работу (видео с канала "БРОВАРЫ ОНЛАЙН").

Почему у нас до сих пор нет роботов-каменщиков?

Как только начинаешь исследовать вопрос строительства, оказывается, что любые новые идеи, которые могут прийти в голову, кто-то уже не раз и не два испытывал – часто несколько десятилетий назад. Одной из таких новых, но на самом деле старых, идей является механический каменщик – машина для автоматизации кирпичной кладки стен.

Привлекательность этой идеи легко видеть: кладка кирпичей, кажется, идеально подходит для механизации. Это многократно повторяющаяся операция – для постройки кирпичного здания нужно уложить десятки или даже сотни тысяч кирпичей или блоков, большинство из которых совершенно одинаковы, причём кладутся они тоже одинаково. Кажется, что такая машина не должна будет совершать физических сложных движений – на каждый кирпич наносится слой строительного раствора, после чего он кладётся рядом с предыдущим. Все кирпичи одного размера, поэтому каждый следующий кирпич кладётся на одном и том же расстоянии от предыдущего.

Кроме того, работа каменщика, особенно при работе с блоками, одна из самых физически тяжёлых – она требует многочасового и многократного перемещения тяжёлых объектов. В целом кладка кирпичей кажется идеальным кандидатом на механизацию – и люди пытаются сделать это уже более 100 лет.

Ранние попытки

Подобная концепция будет ещё не раз возникать на протяжении следующих десятилетий. Патенты на сходные машины можно найти в 60-х и 70-х годах. На видео 1967 года показан «моторизованный каменщик» – и он не так уж сильно отличается от конструкции 1900-х годов:

Попытки создать механического каменщика не ушли далеко от демонстрационных образцов и не имели коммерческого успеха.

1980-е: роботы-каменщики

В конце 1980-х и начале 90-х появляются попытки механизации труда каменщика на основе роботизированных манипуляторов. В отличие от чисто механических изобретений новые машины умели обрабатывать информацию. Вместо бездумного повторения одних и тех же движений их манипуляторы комбинировали роботизированную руку с большой степенью свободы с датчиками и управляющими системами. Они «видели» кирпич, куда его нужно класть, а потом брали его и помещали туда.

Какое-то время эту область активно разрабатывали в академических кругах – примеры можно найти у Slocum 1988, Lehiten 1989, Rihani 1996, Altobelli 1993, Pritschow 1996, у японской SMAS и ROCCO. Но несмотря на все подобные попытки успеха эти системы добились примерно такого же, что и их механические предшественники. Большинство не пошло дальше технических описаний («вот, как можно было бы создать робота-каменщика»), некоторые стали прототипами, но по сути никакого прогресса не случилось. Один из исследователей сдался, заявив, что роботы-строители общего назначения в обозримом будущем не будут иметь практического смысла. Я смог найти лишь один пример такой рабочей системы, использовавшейся в строительстве – это немецкая Multistone 8000, способная с помощью человека автоматически собирать стеновые панели на фабрике.

Современные попытки

С годами важность кирпичной кладки как строительной технологии в развитых странах снизилась, в связи с чем пропал и интерес к её автоматизации. И в отличие от такой области, как 3D-печать, где существуют десятки попыток реализации, я смог найти совсем немного современных попыток автоматизации работы каменщика.

Самой развитой из этих систем кажется Hadrian от компании Fastbrick Robotics. В ней используется грузовик, оборудованный полой стрелой, сквозь которую проходят специальные блоки (что-то вроде грузовика с системой подачи цемента). Когда блок доходит до конца стрелы, его поливают промышленным клеем (вместо обычной строительной смеси), затем его берёт манипулятор и ставит в нужное положение.

Длина стрелы и то, что она закреплена на грузовике, устраняет многие ограничения на укладку блоков, присутствовавшие у других механических систем. Она может класть блоки в узких коридорах и на сложных углах, а также возвести все стены небольшого здания, передвинув при этом грузовик всего несколько раз. Сейчас Hadrian способна класть по 200 блоков в час, а целью компании является скорость в 1000 блоков в час. Хотя их блоки отличаются от тех, что используют каменщики в США, однако для сравнения укажем, что американский каменщик может уложить порядка 400 кирпичей в день.

Hadrian разрабатывают с 2006 года, и лишь недавно начали использовать на коммерческих стройках – пока что компания построила блочные стены 3-4 зданий в Австралии. Судя по всему, компания переживает не лучшие времена (что не удивительно для системы, находившейся в разработке более 15 лет), и в 2020 году у них, похоже, прошла серьёзная череда увольнений. Однако в последние несколько месяцев она мало-помалу набирает проекты.

Но наиболее успешная из известных мне механических систем для укладки кирпича – это SAM, «полуавтоматический каменщик» [semi autonomous mason]. Это робот от компании Construction Robotics, который используется в коммерческом строительстве с 2015 годов. В отличие от кладущего блоки Hadrian, SAM кладёт обычные глиняные кирпичи. Она состоит из роботизированного манипулятора, системы подачи раствора и конвейрной ленты, закреплённых на снабжённом колёсами шасси. Манипулятор берёт кирпич, наносит на него раствор, и ставит на нужное место стены согласно внутренней «кирпичной карте», на которую нанесены все позиции для кирпичей. После этого процесс повторяется, и машина постепенно возводит стену (люди требуются только для укладки кирпичей на углах). У SAM есть несколько датчиков, компенсирующих движение платформы и гарантирующее горизонтальную кладку кирпичей, и она может работать с кирпичами разного размера (но не со шлакоблоками). Её ставят на мобильные леса, и поднимают по мере постройки стены.

Судя по всему у SAM, как и у Hadrian, тоже есть проблемы. На длинных участках стены он работает хорошо, но на коротких практически не опережает людей-каменщиков. Он не может заезжать за углы и класть стыки. В лучшем случае он кладёт кирпичи в 5 раз быстрее человека, однако за ним всё равно должны идти каменщики, очищающие стыки и иногда выравнивающие кирпичи, а также техник, решающий проблемы машины. В книге, описывающей разработку SAM, перечислены различные проблемы, с которыми пришлось столкнуться инженерам, а в конце упоминается, что на этого робота сложно найти покупателей. Судя по сайту, компания Construction Robotics уже сменила свои приоритеты, и вместо SAM сосредоточилась на другом продукте – подъёмнике MULE.

Кроме SAM и Hadrian есть и ещё несколько механических каменщиков на разных стадиях разработки. Индийская компания Craftsmac недавно объявила о выпуске робота-каменщика, используемого для возведения стен из шлакоблока. Она похожа на SAM, это шасси на колёсах с манипулятором, конвейером и бетономешалкой.

Одна британская система автоматической укладки кирпичей использует установленную на колёсах систему двухосевого движения, позволяющую заворачивать за углы и решающую проблему переноса робота с этажа на этаж (вместо этого требуется потратить время на первоначальную сборку системы).

Компания ROB использует коммерчески доступный манипулятор для укладки разнообразных панелей (хотя со смесью, судя по всему, не работает). Иногда встречаются различные научные работы на эту тему. В целом список проектов довольно короткий.

Одна из областей, где был достигнут определённый коммерческий успех – это кирпичные дороги. Различные компании предлагают машины для «печати» участков дорог из кирпича. Укладку дорог немного проще автоматизировать, чем строительство стен.

Ассистенты каменщиков

Есть и немного другая категория машин, предназначенных для увеличения продуктивности работы каменщика – я называю их «ассистенты каменщиков». Эти машины помогают физически поднимать блоки (чаще встречаются машины, работающие именно с блоками, а не с кирпичами), уменьшая физическую нагрузку на каменщика, который занят тем, что размещает блоки на нужных местах.

Такие ассистенты существуют, по меньшей мере, с 1994 года, с военных экспериментов с MAMA – «мехатронным ассистентом каменщика» [Mechatronically Assisted Mason’s Aid]. Это была машина с захватом, расположенным на стреле, стоящей на грузовике. Каменщик использовал захват для перемещения блока на нужное место без необходимости поднимать его руками. С тех пор варианты идеи со стрелой и захватом разрабатывали несколько компаний: мне удалось найти информацию о Layher Balance, Rimatem и Assistance System Steinherr. На сегодня мне известна только одна система, которую можно купить – это MULE от Construction Robotics (судя по всему, она пользуется гораздо большим успехом, чем их SAM).

Однако наиболее интересным ассистентом каменщика я считаю экзоскелет, разработанный компанией FRACO, и выпущенный в прошлом году. Это адаптация военной технологии, содержащая различные пассивные и активные механизмы, помогающие поднимать тяжести и уменьшающие нагрузки на мускулы каменщика.

Конечно, машину, помогающую поднимать тяжести, сложно назвать революционной технологией. Вероятно, самой важной технологией с точки зрения увеличения продуктивности работы каменщика, стал телескопический погрузчик, устранивший необходимость ручного перемещения поддонов с кирпичами на место кладки.

Так почему у нас до сих пор нет механических каменщиков?

Работа каменщика кажется идеальным кандидатом на механизацию, однако сто лет скромного прогресса намекают на наличие в этой области какого-то аспекта, препятствующего созданию такой машины. Получается интересная тема для исследования, помогающая определить, в каких именно случаях механизация работы становится слишком трудной. Чем кладка кирпичей, почти полностью ручная работа, отличается от, например, забивания гвоздей – процесса, который уже почти полностью механизирован?

Судя по всему, тут работают несколько факторов. Во-первых, кирпич не кладётся на что-то ровное и твёрдое – он располагается на тонком слое строительной смеси из воды, песка и цемента. У смеси довольно сложные физические свойства – это неньютоновская жидкость, вязкость которой увеличивается при движении. Из-за этого механический, детерминистский способ кладки не проходит (вероятно, поэтому каменщикам сложно объяснять тонкости своего дела – при укладке кирпича они проделывают множество небольших движений, а смесь ведёт себя и не как жидкость, и не как твёрдое тело). А поскольку смесь изготавливают на месте, в её свойствах периодически появляются некоторые различия.

Автоукладчики кирпича постоянно сталкивались с трудностями, связанными со строительной смесью – многие просто игнорировали эту проблему. Научные исследования конца 80-х и начала 90-х часто занимались вопросами создания стен без строительной смеси, например, блоков с зацеплением друг за друга, или же альтернатив смесям, ведущих себя более предсказуемо (на чём остановился Hadrian). В работе 1996 года Притшоу просто написал, что решить проблему смеси оказалось слишком сложно. У изобретателей, которым удалось решить задачу надёжного нанесения смеси, пока не получается выдавать надёжное соединение кирпичей – они просто нашлёпывают смесь на кирпич, после чего рабочим приходится убирать излишки. В каком-то смысле такие роботы, как SAM, недалеко ушли от моторизованного каменщика 50-х годов.

Соединение кирпичей смесью усложняет работу каменщика. Если пневматический молоток просто прилагает силу к гвоздю, получая примерно один и тот же результат раз за разом (а если получается немного криво, то это не страшно – гвоздь всё равно выполняет свою функцию), то укладка кирпича на полученную на месте неньютоновскую смесь ошибок не прощает. Не получая обратной связи (не измеряя, насколько ровно лёг кирпич), сложно быть уверенным, что стена получится ровной. Каменщики постоянно проверяют горизонтальность кирпичей нитками или уровнями, и при необходимости принимают меры. Механическому каменщику нужен способ делать то же самое. SAM почти решил эту проблему, но всё равно иногда требует вмешательства рабочих, которые ударами ставят кирпичи на место.

Это одно из главных отличий забивания гвоздей от кладки кирпича – необходимость внесения поправок в зависимости от окружения. Пневматические молотки, циркулярные пилы и другие электроинструменты больше похожи на ассистентов каменщика – они выполняют чисто физическую работу, оставляя обработку информации и расположение деталей на совести людей. Пневматический молоток не должен понимать, куда нужно забить гвоздь, и не должен сам перемещаться в нужное место – он просто выполняет физическую работу по забиванию гвоздя.

Можно провести параллели с эволюцией фрезерных и сверлильных машин. Первые подобные механизмы придумали в конце XIX – начале XX веков, а возможность программного управления добавили в 40-50-х годах прошлого века. Однако только недавно у нас появилась возможность встроить в них обработку обратной связи в реальном времени, чтобы получить такие продукты, как Shaper Origin (ручной фрезер, поправляющий движения человека). Надёжная реализация реакций машины в ответ на окружение – задача, решать которую сложно и сегодня, даже если физических ограничений на это нет.

Кирпичи и блоки большие и тяжёлые, поэтому для работы с ними требуются крупные и дорогие машины (особенно, если вы хотите работать с ними быстро – ведь усилия возрастают с ускорением).
В США стены возводятся с использованием арматуры, что сложно реализовать в простой машине, кладущей блоки. На проектах, где использовали Hadrian, арматуру ставили вручную.
Сложно договориться с подрядчиками на использование подобных машин, поскольку те стараются избегать рисков. В удивительно откровенном видео от Construction Robotics подробно рассказывают о том, насколько сложно было убедить клиента использовать систему компании. В книге, описывающей развитие компании, встречается очень много примеров сложных продаж.

Будет ли расти популярность механических каменщиков?

Сложно сказать. В принципе, все зависит от прогресса в робототехнике, программах, компьютерном зрении и других технологиях (назовём всё это «автоматизацией»).

При всех сложностях, укладка кирпичей остаётся одной из наиболее успешно автоматизированных областей строительства. Это одна из немногих областей, в которой реально можно купить промышленного робота. Поэтому разумно предположить, что прогресс автоматизации окажется полезнее всего для процесса укладки кирпичей, поскольку он и так продвинулся дальше остальных. Если автоматизированные каменщики будут становиться меньше, быстрее, научатся работать с углами и доводить до ума соединения кирпичей, они станут весьма привлекательными.

Однако вполне может оказаться, что развитие автоматизации положительно скажется на всех строительных технологиях.

Блоки весят много, и машины, работающие с ними, вероятно, всегда будут дороже машин, работающих с менее тяжёлыми строительными системами. При этом даже большие блоки остаются небольшой частью строительного процесса в целом. Поэтому возможно, что автоматические каменщики всегда будут отставать по скорости и стоимости от других типов машин. Возможно, будет промежуток времени, в который автоматические каменщики окажутся очень популярными, после чего их вытеснят другие строительные системы.

Роботы-каменщики: автоматизация процесса кирпичной кладки

Американская компания Construction Robotics разработала модель полуавтоматического робота-каменщика SAM100 (Semi-Automated Mason - «полуавтоматический каменщик»). Робот состоит из манипулятора-укладчика и системы нанесения цементного раствора. Работа SAM100 выглядит абсолютно фантастически — машина «рукой» берет кирпичи, наносит на них раствор и ловко укладывает на стену. Компании удалось создать машину, достаточно легкую для того, чтобы располагаться на стандартных строительных лесах и передвигаться по ним вдоль стены, либо на рабочей площадке подъемника – эксплуатационная масса робота 1500 кг. Машина оснащена собственным дизель-генератором с двигателем Cummins, работающем на газе.

В программном обеспечении системы управления роботом SAM использованы инновационные разработки, в частности программа «картографирования» кирпичной кладки, в которую можно в цифровом виде загрузить схему расположения стены и кирпичей в ней и привязать к координатам GPS/ГЛОНАСС. Программу можно корректировать в зависимости от изменения реальных условий на строительном объекте. Когда корректируется вся конструкция, соответственно, уточняется и положение каждого кирпича в кладке. Таким образом строительный проект точно соответствует всем реальным размерам и ограничениям, существующим на практике.

К тому же, такая предварительная проработка проекта в виде электронной программы позволяет представить его клиенту средствами компьютерной графики. Заказчик сможет наглядно увидеть, как будет выглядеть кирпичная кладка стен, оценить различные варианты расцветки или, например, увидеть, как будет выглядеть логотип компании, выложенный на стене кирпичами. Имеются программные средства, позволяющие загружать в программу управления кладкой в цифровом виде логотипы и другие изображения на стене. Также программа позволяет рассчитать, сколько кирпичей понадобится распилить и сколько времени потребуется для возведения данной стены. Вся эта информация может быть получена предварительно, при укладке же кирпичей по традиционной технологии вручную такие данные как правило получить невозможно.

Раньше возведение кирпичной стены с оконными и дверными проемами, которые усложняли работу, занимало немалое время. Требовались целые часы для проведения многочисленных замеров и расчетов, чтобы определить, как для этого следует распилить кирпичи. Теперь же в электронную программу управления робота закладывается схема расположения кирпичей в стене и на экране компьютера можно увидеть ее изображение. Программа в течение нескольких минут рассчитывает, как будет выкладываться кирпичная стена. Вместо замеров, которые каменщик производит вручную в процессе работы, все расчеты выполняет электроника, выложенная роботом кирпичная стена выглядит лучше и требуется пилить меньшее количество кирпичей. То есть, разница такая же, как в случае проведения расчетов на бумаге и на компьютере. Электронное управление позволяет точнее планировать работы, что в свою очередь повышает производительность и рентабельность работ.

Человек-каменщик в процессе работы не наткнется на других рабочих, находящихся на мостках рядом с ним и может скорректировать свое поведение, например, если внезапно поднимется сильный ветер. Создателям пришлось обеспечить роботу возможности решать все эти задачи. Два года ушло только на то, чтобы «научить» робота наносить раствор на кирпич! Датчики системы безопасности не позволят машине упасть с подмостьев и наткнуться на препятствия.

Однако, робот превосходит человека в точности укладки (SAM100 выравнивает кладку по лучу лазера), не устает и сохраняет уровень качества работы как угодно долго. Опытный каменщик может превзойти этого робота в скорости и качестве укладки, но только в течение короткого времени. Затем человек неизбежно устанет, а робот продолжит работу как ни в чем не бывало.

Для обеспечения работы SAM100 требуется три человека: оператор, помощник, подающий в машину кирпичи и раствор, а также каменщик, устанавливающий в стену закладные анкеры, зачищающий лишний раствор и исправляющий мелкие дефекты в кладке. По расчетам компании при применении робота производительность кладки кирпичной стены увеличивается в 3-5 раз, стоимость уменьшается до 50% плюс экономия на оплате труда рабочих. Укладка одного кирпича занимает 12-14 сек в зависимости от его размеров. Такой темп создатели признали оптимальным, т. к. если скорость кладки увеличить, роботу потребуется уже два помощника, подносящих кирпичи и раствор. Строители, познакомившиеся с работой робота-каменщика, дали ему высокие оценки. Заявленная рыночная стоимость SAM100 — US$650000. Компания оценивает период окупаемости робота в 1-2 года.

Робот-носильщик

А вот исследователи из Университета в г. Баффало (США) сконструировали робота-носильщика OSCR-3, который помогает поднимать и переносить кирпичи и строительные блоки по лестницам и этажам.

Hadrian X

В Австралии компания Fastbrick Robotics разработала робот Hadrian X, который способен уложить 1000 кирпичей за час, скрепляя раствором — это в 20 раз быстрее человека-каменщика. Hadrian X работает под управлением электронной системы, в которую загружен проект постройки в цифровом 3-мерном виде. Главной частью машины является смонтированная на автомобильном шасси телескопическая стрела высотой в 28 м, с помощью которой она и выполняет свою работу. Стрела может корректировать положение до 1000 раз в секунду, компенсируя влияние порывов ветра и прочих природных факторов. Для возведения стен необходимо загрузить лотки с кирпичом на платформу Hadrian.

Сейчас в Австралии средний возраст каменщиков — 50 лет и робот-каменщик поможет устранить дефицит работников этой профессии. Компания планирует выпустить своего робота на рынок к концу 2017 г. На его разработку было затрачено $7 млн., поэтому низкой его цена не будет, по крайней мере в первое время.

In-Situ Fabricator

Швейцарские исследователи также ведут работы по созданию робота, укладывающего кирпичи, который мог бы адаптироваться к изменениям обстановки на стройке и самостоятельно обучаться в процессе работы, основывая свои действия на бортовой системе «органов чувств» с электронным управлением, не нуждаясь во вмешательстве в управление человека.

In-Situ Fabricator (IF, «Строит здесь и сейчас») создан группой архитекторов и робототехников из Федерального технологического института в Цюрихе (ETH Zurich). Робот имеет сравнительно небольшую массу, мобилен и самое главное, обладает «интеллектом». Он оснащен двумя компьютерами, один из которых отвечает за движения механической «руки»-манипулятора, а другой — за ориентирование. Манипулятор оборудован лазерным дальномером. При перемещении манипулятора дальномер сканирует пространство вокруг робота и строит 3-мерную схему окружающего пространства. Также в бортовую систему управления загружена цифровая модель постройки. Благодаря этим данным робот постоянно определяет свое положение в изменяющейся обстановке и ориентируется при выполнении строительных операций, что создает возможности для его автономной работы, которую он выполняет с точностью до миллиметра. Еще одним преимуществом IF является способность самостоятельно перемещаться по строительной площадке без помощи человека. Робот оснащен датчиками и камерами, которые позволяют ему не натыкаться на препятствия и людей во время движения.

Главным его достоинством, как считают разработчики, является способность адаптироваться и решать задачи при внезапных нестандартных изменениях обстановки на строительном объекте. Они считают, что это одна из первых машин, которая способна возводить нестандартные постройки, то есть проект которых может изменяться и адаптироваться к окружающим условиям непосредственно в процессе строительства. Исследователи продолжают работу по совершенствованию IF, т.к. по словам разработчиков действия робота пока «примитивны», он как бы «работает вслепую». Робот пока еще неуверенно и медленно ориентируется в обстановке после совершения каждого действия, чтобы полноценно выполнять работу с необходимой точностью, в будущем он должен ориентироваться с большой скоростью и прямо в процессе движения.

Роботы-муравьи

Интересную работу с оригинальным подходом к решению проблемы автоматизации процесса строительства из кирпичей ведет группа ученых в Гарвардской школе техники и прикладных наук (SEAS). Вы никогда не задумывались как муравьям удается выстроить свой дом? Ведь у них нет ни центрального руководства, ни общего плана постройки, они даже не распределяют обязанности между собой и не общаются друг с другом, в процессе строительства не знают, в каком состоянии находится в данный момент строящийся объект. Насекомые действуют по принципу, который называется «стигмергия» (stigmergy, «стигмержи» или «муравьиный алгоритм»): особь наблюдает, какие изменения внесли в окружающую среду другие особи и действует, исходя из этого. Муравей просто несет кусок глины или песчинку к месту, куда его нужно уложить, и если это место оказывается уже занятым — несет к следующему. Тысячи маленьких тружеников рождаются и умирают, воды и ветры наносят ущерб постройке, но строительство успешно продолжается, и муравейник растет, не разрушаясь.

Исследователи из Гарварда построили программу TERMES («термиты») на принципах «муравьиного алгоритма», которая позволяет большой группе роботов действовать как колонии муравьев, и получили впечатляющие результаты: на демонстрации группа роботов слаженно возводила сложные трехмерные сооружения. Роботы строили ступени, взбираясь по ним, чтобы продолжать строительство, знали, куда нужно положить очередной кирпич и как его закрепить, следуя простому правилу, согласно которому каждый укладывает кирпич на первое же доступное место, чтобы сооружение росло, при этом не создавая препятствий для соседей и хода строительства, и даже восстанавливали постройку после внезапных изменений в обстановке и ее состоянии (часть постройки нарочно разрушали). Каждый робот участвовал в строительстве параллельно с другими, но не знал при этом, кто из «коллег» и что делает в этот момент. Если робот выходил из строя или должен был покинуть стройку по каким-либо причинам, это не оказывало никакого влияния на других. После постановки первоначальной задачи коллектив роботов больше не требует вмешательства человека в процесс строительства. Одну и ту же программу могут выполнять и пять, и пятьсот роботов.

Исследователи стремились создать систему максимально простую, дешевую и надежную. Бортовые электронные системы управления роботов получились достаточно простыми. У этих бюджетных «роботов-коллективистов» - т. н. «килоботов» имеется всего четыре типа простых датчиков и три привода-актюатора.

Технические возможности системы TERMES пока еще ограничены, но, как утверждают авторы, уже сейчас роботизированная система может выполнять задачи по укладке заграждений из мешков с песком при наводнениях или выполнять несложные строительные работы на Марсе.

Летающие роботы-строители

В отличие от системы TERMES работа других современных роботизированных систем управляется центральным блоком управления-контроллером либо все роботы должны иметь способность общаться друг с другом, согласовывая свои действия.

«Институт динамических систем и управления» (Institute for Dynamic Systems and Control) в Цюрихе (Швейцария) разработал концепцию «Летающих роботов» (Flying Machine Arena), которые можно использовать для возведения построек из кирпичей или блоков в автономном режиме — без вмешательства человека в процесс строительства. Система может управлять разными летательными аппаратами, но были выбраны квадрокоптеры за их маневренность, простоту механического устройства, надежность и прочность, а также способность неподвижно парить в воздухе. Квадрокоптеры оснащены бортовой электронной системой управления, гиродатчиком угловой скорости и акселерометром. Кирпичи удерживаются специальным захватом из трех штифтов с сервоприводом.

От того, насколько точно и надежно будут уложены кирпичи, зависит успех строительства. Исследования показали, что самый точный и надежный способ укладки кирпичей — доставка их по воздуху и укладка без использования силы тяготения. Квадрокоптер подносит кирпич к строению и рассчитывает траекторию, по которой кирпич будет уложен в кладку при заданной скорости. Исследования показали, что чем меньше скорость, с которой кирпич подлетает к кладке (и соответственно слабее удар при укладке), тем больше оказывает влияние на точность траектории турбуленции в воздухе и воздействие силы тяготения. Поэтому предпочтительно укладывать кирпичи с достаточно высокой скоростью, без лишней «осторожности».

Способность группы летательных аппаратов-роботов строить сооружения была продемонстрирована на практике: построена модель в масштабе 1:100 инновационной жилой башни высотой в 600 м со 180-ю этажами и общей площадью в 1,3 млн м2 для проживания 30 000 человек – реальный архитектурный проект «автономного дома будущего» Строительная конструкция высотой 6 м состояла из 1500 блоков-кирпичей. Четыре квадрокоптера возводили ее в течение 4-х дней.

Программа управления контролировала траектории полетов, исключая столкновения машин: перед тем, как квадрокоптер совершит маневр, система резервирует свободное пространство для этого, чтобы на его пути не оказалась другая машина, и система не допускает в зарезервированное пространство другие машины до окончания маневра. Система предотвращает столкновения квардрокоптеров с возводимым строением — т. е. всё пространство, которое занимает башня, считается «зарезервированным» и квадрокоптеры не могут проложить через него маршруты своих полетов.

Система по беспроводной связи управляла операциями захвата и укладки кирпичей и всей динамикой полетов — скоростями и маневрами, позволяла определять количество участвующих в строительстве летающих роботов в каждый конкретный момент и темп укладки кирпичей (кирпичей/час), обновляла информацию о пространственном расположении объектов со скоростью более 200 раз в сек. Это не выглядит слишком много, если учесть, что объекты в этом пространстве могут летать со скоростями быстрее 10 м/сек, т. е. между двумя «картинками» они уже могут переместиться на расстояние свыше 5 см. Система координировала, в какое время машины осуществляли подзарядку аккумуляторов.

Следует отметить, что подобные системы позволяют повысить производительность работы группы роботов и быстро преодолевать возникающие в процессе работы проблемы, но с увеличением количества роботов и территории их деятельности управлять централизованными системами становится все сложнее, а центральный контроллер представляет собой то единственное слабое звено, выход из строя которого нарушит работу сразу всей системы.

FlexBrick

Компания ROB Technologies AG, специализирующаяся на создании программного обеспечения и имеющая отделения в нескольких странах, разрабатывает FlexBrick — пакет компьютерных программ для управления роботизированной укладкой кирпичей в нестандартном порядке — для украшения фасадов зданий, интерьеров и т. п. Роботизированная укладка FlexBrick уже применялась при строительстве ряда зданий и сооружений в Швейцарии, Германии и Великобритании. ROB также разрабатывает промышленную систему по изготовлению деталей кирпичных фасадов для использования роботом, который будет укладывать кирпичи.

Совершенствование системы продолжается.

Роботы-плиточники

Близкими «родственниками» роботов-каменщиков можно считать роботов, выкладывающих плиточные полы. Недавно прототип такого полуавтоматического робота продемонстрировала Future Cities Laboratory (FCL, «Лаборатория городов будущего») в Сингапуре, работавшая совместно с компанией ROB Technologies AG.

Разработчики считают, что промышленные образцы робота-плиточника можно будет выпускать на рынок, когда удастся увеличить производительность машины вчетверо по сравнению с нынешним уровнем.

Робот-каменщик идёт на смену человеку

Строительные технологии не стоят на месте. То, что ещё вчера казалось фантастикой, сегодня — обыденность. Наш портал уже рассказывал о дешёвом портативном 3D принтере, который может пригодиться многим домашним мастерам, и о промышленных устройствах, способных распечатать целый дом.

В связи с этим интересен робот-каменщик, представленный на архитектурной выставке в Шанхае. Хотя устройство напоминает аналогичного робота, укладывающего кирпичи, созданного австралийскими учёными, в этот раз инженеры пошли дальше. Они поставили перед собой цель создать машину, которая превзошла бы в мастерстве человека и способную создавать из кирпичей сложнейшие криволинейные поверхности.

На что способен робот-каменщик, наглядно демонтирует следующая фотография.

Любопытны нюансы, предшествующие этим испытаниям. По словам архитекторов, участвовавших в разработке машины, требования к современному дизайну растут день ото дня. Если раньше клиенты выбирали относительно простые геометрические формы, т.е. дома, фактически состоящие из прямых поверхностей, то сейчас заказчики всё чаще хотят чего-то особенного и индивидуального.

Например, дома с круглыми эркерами, стены сложных форм с волнистой поверхностью. Чтобы сделать такое из кирпича, требуются мастера высокой квалификации, что удорожает процесс строительства. Кроме этого, сложная кладка отнимает больше времени.

Теперь, как считают инженеры, они решили эту проблему. Для демонстрации возможностей робота-каменщика выбрали здание, которое нуждается в реконструкции, причём, строение будет использоваться, как галерея для проведения мастер-классов по архитектуре и выставок. Т.е. требуется здание с особо эффектным внешним видом.

Работа закипела. В первую очередь разобрали крышу и приподняли её. Для увеличения объёма пространства использовались специальные фермы, за счёт чего удалось создать огромные безопорные пролеты.

В этой статье подробно рассказывается, как самостоятельно перекрыть большой пролёт деревом и сделать двутавровую балку.

Закончив реконструкцию здания, в дело вступил робот-каменщик. Перед создателями машины поставили задачу обложить стены кирпичом, который остался после сноса старой постройки. Робот взялся за дело.

Кирпичи укладывались на специальный опорный металлический каркас, сваренный из швеллеров и возведённый вокруг строения.

Устройство, руководствуясь заложенной в него программой и архитектурным планом, самостоятельно выбирало нужные кирпичи, укладывало их, строго дозируя раствор.

Работа велась с ювелирной точностью, кирпичи в процессе работы подбирались по размерам, фактуре и цвету, так, чтобы кладка выглядела однородно.

Создатели устройства надеются, что по мере совершенствования технологии и выпуска новых версий робота-каменщика, удастся снизить его цену.

Также рекомендуем посмотреть видеосюжет, рассказывающий о нюансах возведения кирпичного свода на нервюрах.

Робот-каменщик и его необычная кладка

Архитекторы из бюро Archi-Union в 2017 году построили необычный выставочный павильон в Шанхае. В этом здании необычно все – строительная площадка, материалы и технологии. Здание, предназначенное для художественного объединения Chi She было возведено из вторичного строительного материала. На месте сегодняшнего выставочного центра располагалось старое полуразрушенное здание из серо-зеленого кирпича. Несмотря на ветхость строения, материал обладал хорошим запасом прочности. Это свойство и решили использовать авторы проекта.

Конструкция современного здания имеет одну интересную особенность. На переднем фасаде сделан дугообразный выступ, сложенный из кирпича. Выполнить такую технически сложную манипуляцию человеческими усилиями практически невозможно, здесь требуется математическая точность. Отрицательный угол наклона стены грозит обрушением еще в процессе строительства. Чтобы воплотить смелый замысел были использованы новые технологии. Для работы привлекли робота Hadrian. Архитекторы воспользовались роботехническим методом кирпичной кладки.

Для создания изогнутой стены на фасаде были закреплены направляющие, по которым «ориентировался» робот-строитель. Эта техническая разработка имеет конечность длиной в несколько метров и «цепкие пальцы». Обладает способностью возводить стены сложных конфигураций. Для скрепления кирпичей использовался более прочный аналог цемента. Архитекторы разработали трехмерную виртуальную модель будущего фасада, на которую и опирался электронный мозг «железного строителя».

Робот способен не просто выполнять кирпичную кладку, но еще до начала работы анализировать заложенную программу и оптимально планировать расположение блоков относительно друг друга. Также он производит расчеты всех сдвигов, необходимых для прокладывания коммуникаций. Находясь на одном месте, он укладывает кирпичи и наносит скрепляющий раствор. Производительность машины впечатляет – тысяча кирпичей в час, или небольшой жилой дом за двое суток. Один робот способен возвести 150 домов за год.

Выставочный павильон размером в 200 кв. метров был возведен вместо бывшего исторического строения, материалы которого, можно сказать, спасли и использовали вновь, уже в новом арт-объекте. При этом зигзагообразная форма крыши была сохранена и подверглась лишь реконструкции. Самой интересной деталью, отличающей старое и новое здание, является изогнутая форма фасада, которую невозможно создать традиционными методами и технологиями.

Еще один архитектурный прием, который был использован в проекте – слегка приподнятая часть крыши, для того чтобы находящиеся внутри люди могли наслаждаться видом на открытое небо. Создатели проекта выражают надежду, что воссозданное и переосмысленное в современном ключе здание послужит для проведения разнообразных выставок и станет вместилищем творческих мастерских и местом непринужденного общения творческой богемы Шанхая.

Роботы строители

Робот-строитель сегодня - это либо огромный 3D-принтер с бетонными чернилами, либо кладущий кирпичи или пеноблоки большой промышленный манипулятор. Эффективность последних вызывает вопросы -достаточно посмотреть на то, как медленно работает укладчик Hardian.

Концепт Hadrian X. Автономная система для кладки кирпича. Название робот получил в честь римского императора Адриана, известного созданием римской защитной стены длиной 117 км для защиты Концепт Hadrian X. Автономная система для кладки кирпича. Название робот получил в честь римского императора Адриана, известного созданием римской защитной стены длиной 117 км для защиты

Строительство не та область, в которой нужна машинная точность, так что роботам придется серьезно ускориться, чтобы заменить людей на стройплощадках.

Но есть вероятность, что трехмерная печать зданий получит большее распространение - на 3D-принтере Vulkan, например, уже напечатали целый микрорайон.

Хотите персональный маленький домик? К вашим услугам его «коллега» Vulkan II.

3,5-метровый Vulcan II может печатать стеновые конструкции высотой до 2,6 метра Первый 3D-печатный дом, напечатанный на принтере Vulcan I 3,5-метровый Vulcan II может печатать стеновые конструкции высотой до 2,6 метра

Массово так делать многоэтажки, правда, пока никто не умеет, зато отдельные небольшие дома запросто, иногда они даже обходятся дешевле, чем возведенные обычными способами. Так, компания Sunconomy предлагает построить особнячок всего за 300 тысяч долларов.

Робот-каменщик SAM100 кладет кирпичи в 6 раз быстрее обычного рабочего

SAM, сокращение от Semi-Automated Mason (полуавтономный каменщик) - робот для кладки кирпича, разработанный и спроектированный компанией Construction Robotics из США. SAM100 заявлен разработчиками как первый коммерческий робот-каменщик для кладки кирпича на реальных стройплощадках.

SAM100 - не полностью автономный робот, он предназначен для совместной работы с рабочим-каменщиком. Манипулятор увеличивает производительность каменщиков в 3-5 раз. В целом, если сравнивать скорость работы, "Сэм" в 6 раз быстрее среднего рабочего.

Созданный нью-йоркской компанией Construction Robotics, SAM100 укладывает 3000 кирпичей в день, используя в работе комбинацию конвейерной ленты, роботизированного манипулятора и бетононасоса. Для сравнения, человек-строитель будет класть в среднем около 500 кирпичей в день.

"По многим причинам строительная индустрия не спешит внедрять инновации и серьезные изменения", - рассказал руководитель одной из строек в США. "Сравните строительную площадку сегодня с фотографией, сделанной 10-15 лет назад, и, за исключением нескольких инструментов, она не так сильно изменилась. Но сейчас кажется, что индустрия наконец-то развивается, и новые технологии начинают появляться на строительных площадках".

Стоимость SAM100 составляет около $500 тыс. долларов. Это не дешево, но робот потенциально сможет произвести революцию на стройках будущего. "Сэм" уже работает на строительных площадках во многих городах на всей территории США и недавно получил обновление операционной системы до SAM OS 2.0, в которой несколько усовершенствований.

Будут ли строительные роботы массово лишать работы простых людей?

"Мы видим, что проходят десятилетия, а строительные площадки все еще не бывают полностью автоматизированными", - рассказал руководитель строительства. "Речь идет о сотрудничестве между людьми-рабочими и машинами. SAM100, например, поднимает кирпичи, накладывает на них раствор и кладет кирпич на стену. Но ему все-равно требуется помощник-каменщик, работающий рядом. Основная задача робота - брать на себя тяжелую работу по подъему кирпичей".

Читайте также: