建筑机器人与智能建造

发布时间:2019-07-09 11:17作者:王会晶阅读:

摘要:机器人革命 近年来,在制造业各细分领域普遍面临 结构调整 与技术升级的大环境下,工业机器人应用领域不断扩大,极大地缓解了劳动密集型产业长期以来面临的招工难、用人成本高
  机器人革命
 
  近年来,在制造业各细分领域普遍面临结构调整与技术升级的大环境下,工业机器人应用领域不断扩大,极大地缓解了劳动密集型产业长期以来面临的招工难、用人成本高以及人员流失率较大等问题,而建筑行业作为传统劳动密集型产业,正在经历一场前所未有的革命。
 
 
  中国拥有世界上最大的建筑市场。统计数据显示,2017年建筑业总产值已达21万亿,预计在短时间内将超过美国,成为世界第一建筑大国,占据全球建筑业产值的19.1%。人工智能等技术的不断发展,为建筑工业化及智能建造的发展提供了可能。
 
▲2012-2018中国工业机器人市场规模统计
(单位:亿美元)

 
  工业机器人与控制
 
  工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置,按臂部的运动形式可分为以下四种:
 
  1)直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动;
 
  2)圆柱坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作;
 
  3)球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩;
 
  4)关节型的臂部有多个转动关节。
 
▲工业机器人分类
 
  工业机器人领域最为有名的就是以发那科(FANUC)、库卡(KUKA)、ABB、安川电机(YASKAWA)为代表的四大家族,在亚洲市场,它们同样举足轻重,更占据中国机器人产业70%以上的市场份额。
 
  
▲工业机器人四大家族
 
  而在建筑建造行业中,应用最广泛的就是传统的6轴机械臂。
 
▲6轴机械臂
 
  当前,工业机器人的应用场景愈加广泛,苛刻的生产环境对机器人的体积、宽量、灵活度等提出了更高的要求。工业机器人正向小型化、轻型化、柔性化的方向发展。协作型机器人(collaborativerobot)的概念由伊利诺州西北大学(Northwesten University)的教授J.Edward Colgate和Michael Peshkin所创造。
 
  协作型工业机器人的特性是人机协作,保障安全,方便编程,从而广泛应用于建筑机器人领域。
 
  
▲UniversalRobot推出的协作型机器人
 
  目前建筑机器人常采用的是离线编程的模型,主要有以下特点:
 
  ·需要机器人系统和工作环境的图形模型
 
  ·编程时不影响机器人工作
 
  ·通过仿真试验程序
 
  ·可用CAD方法进行最佳轨迹规划
 
  ·可实现复杂运行轨迹的编程
 
  
▲离线编程常见使用场景
 
▲大界机器人离线编程界面
 
  建筑领域自动化的难点
 
  尽管自动化的运用,将大大提高建筑领域的劳动生产率以及为其节约大量成本。但机器人在建筑领域的应用,仍面临一些难点。
 
  在工厂等受控环境中,机器人可以出色地执行重复性任务。通过将机器人纳入预制构件的大规模制造,可显著提升生产效率。
 
  但是建筑工厂的产品往往定制化程度非常高,产品的品种多,变化快。与传统制造行业批量流水线式的生产不同,建筑行业的大规模定制化生产对机器人智能制造过程中的柔性、视觉和控制方式提出了更高的要求。
 
▲UAP architecture factory
 
  另外,建筑工地远非一个可控的环境。机器人建造要想实现盈利和有序工作,它们需要能够适应环境中的实时变化,而几乎不需要编程。而现实情况是,大多数情况下机器人很难适应和改变环境。同时,在建筑工地上,各种任务同时进行,这些任务与分配给每个任务的资源是相互联系的。建筑场地具有很强的动态性,任务和周围环境都容易发生系统的变化,建筑活动的执行者常常被障碍物、不平的表面、设备等包围。建筑施工场所的非结构化特性使得它们不能适应机器人的移动。
 
  为了让机器人能在建筑工地上充分发挥作用,它们必须具有便携性、四处移动的能力、“感知”周围环境的能力,以及处理接收到的数据或信息的能力。不仅如此,机器人还应该能够处理笨重或沉重的负载,如横梁或预制板(可重达数吨),他们还应该能够处理易碎的材料,如瓷砖、配件或玻璃等。
 
  适合建筑业的人机交互平台
 
  机器人的硬件经历大半个世纪的迭代和进化,已经变得非常精确和稳定,但其软件还是停留在电脑“DOS系统”的阶段。对机器人有些许了解的人都知道,机器人有自己独有的编程语言和编程环境,导致学习机器人的成本非常高。
 
  这也是大界机器人成立的原因之一,将机器人技术普及化,让未来的设计师或建筑人员在操作机器人的时候可以像使用手机APP或者3D打印机一样简单。大界基于建筑师建模的习惯,在常用的三维软件上开发了一系列模块化、易操作的插件以及相关的人机交互系统,使用者不需要学习太多工业机器人的知识和相关技术,就可以在熟悉的建筑软件里使用机器人并完成设计和生产。
 
▲大界建筑机器人仿真软件
 
  大界机器人的数字化技术关注的并非是建筑设计端的标新立异,而是施工建造端劳动力的短缺,特别是建筑行业的高技术工人的不足。大界的研发团队正在开发智能施工装备,未来希望结合友好的人机交互界面产品,使建筑机器人无论在工厂还是施工工地都可完成复杂的自主建造和施工。当然,这样的建筑机器人首先要有比较广泛的适用场景,不只是做增材或减材,而是在砌筑、焊接、模具工艺和构件装配等众多建筑工艺上都有标准的解决方案。其次,团队也希望它有很强的操作性,不是给博士生、研究生或是机器人工程师来用,而是给技术工人来用,使真正的使用者能够高效友好并且安全地进行机器人设备的操纵。
 
  最后,大界需要保障其较低的硬件成本。今天人们看到的机器人通常都在为医院、餐厅等“高大上”的场所服务,如果真的使其应用于工厂、建筑工地,其造价一定不能太贵,因此大界开发的产品都是在最便宜的硬件上结合智能的算法实现相对复杂的功能。金属质感分割线
 
  智能建造VS传统施工
 
  目前智能建造一般在专用的工厂中进行较小的构件的加工,然后运输到建筑工地进行最终组装。常见的有木结构切割,模具生产以及幕墙加工等。
 
▲模具制造丹麦ODICO
 
  Odico模具公司致力于机器人模具工艺开发与应用,重视产品的可持续性。
 
  客户有ZAHA HADID、Dorte Mandrup等世界知名建筑事务所。产品从小尺度景观到足尺建筑都有覆盖。
 
▲3D打印伦敦AI build
 
  AI build是一家总部位于伦敦的公司,为大尺度增材制造开发人工智能和机器人技术。
 
▲机器人金属打印荷兰MX3D
 
  MX3D致力于机器人金属增材制造领域,他们相信自动化和自主生产独特的计算机生成的零部件和结构将成为未来10年的标准生产方法。通过应用人工智能和机器学习技术,机器人每次都能更好地完成任务。MX3D机器人将建造轻量级的建筑,如桥梁或完整的建筑,优化的定制船,甚至完全自主的火星殖民地。
 
▲ETH DFAB house机器人协同搭建
 
  伴随着越来越多的智能工厂升级,建筑机器人行业也将逐步建立起足尺建筑建造的工艺数据库,在逐步提高建造效率的同时,追求更精确更精致的完成效果。
 
  除此之外,外墙喷涂、瓷砖铺设等施工过程要求工人有着一定的经验,长时间的深蹲、抬手等动作对工人的体力也有着较高的要求。不同工人的施工质量差异,现场有害环境也对工人师傅健康带来长期威胁。同时施工现场与图纸的尺寸差异,也极大影响了施工质量与完成度。这些问题都能通过智能化的机器施工解决。
 
▲传统施工现场
 
  我们能看到国内外不同的团队都对上述问题给出了自己的解决方案。
 
▲现场喷涂新加坡TRANSFORMAROBOTICS
 
  TransformaRobotics是南洋理工大学(NTU)新加坡分公司。为建筑行业提供机器人和机器人服务,特别是室内墙面油漆的现场自动化施工解决方案。
 
  
▲砌筑机器人美国Construction Robotics
 
  前段时间美国公司推出了一款名为“半自动梅森”(SAM100)的砌砖机器人,每天可砌砖3000块(国内的一个工人一般每天只能砌900左右块砖)。
 
 
  大界移动施工机器人引入现场小型装配工厂概念,通过智能化算法将CAD图纸与现场施工打通,自动化生成工作路径,有效地提高施工效率以及品质。针对建筑业的需求和工业机器人领域的经验,我们对大界移动施工机器人给出了以下定义:
 
  控制:
 
  -在末端工具提供1到5毫米的定位精度
 
  -可以在施工现场的局部区域内操作
 
  -在施工现场有一定越障能力,障碍物、人不应该影响性能
 
  尺寸:
 
  -可以达到标准墙的高度
 
  -可以通过标准门
 
  多功能性:
 
  -拥有足够的有效载荷来处理重型和定制的数字制造末端工具可用性和集成
 
  -可以为建设规划和环境控制提供所需的信息(例如当前机器人位置,建造状态等)
 
  -为非机器人专家的操作员提供友好的交互界面
 
  2018年末的原型机发布针对轻钢龙骨隔墙的预制和装配场景,大界机器人自主研发的集成抓取、吸附、上螺丝等工艺的末端执行器,并引入视觉技术实时反馈加工信息,通过智能化算法优化控制机器人与底盘。
 
  写在最后
 
  更开放的编程平台和算法环境使得机器人建造对于工程师、建筑师来说不再是遥不可及和天马行空的话题,也由于建筑工艺的复杂性,需要更多来自建筑学、结构学、材料学、电气自动化、控制工程等的人才投身到建筑机器人的发展道路上,共同推动建筑建造行业真正的工业智能化的到来。