В области строительной робототехники возможность подлинной «совместной работы» человека и машины в непредсказуемых условиях строительной площадки всегда была пределом мечтаний в исследованиях автоматизации. Недавно команда Лаборатории архитектурных структур и дизайна Принстонского университета на 43-м Международном симпозиуме по автоматизации и робототехнике в строительстве (ISARC 2026) — ведущей конференции в области автоматизации и роботизированного строительства — представила знаковый результат: впервые предложен процесс адаптивной совместной кладки человека и робота, основанный на замкнутой обратной связи, который фундаментально решает мировую проблему потери точности при многооперационной совместной работе на строительной площадке (и в смежных сценариях).
Преодоление «изолированности исполнения» в строительстве и горной добыче
Строительные работы и проходка шахтных стволов являются высокоинтегрированными системными инженерными задачами. Традиционно на строительной площадке выполняется множество операций, в значительной степени зависящих от взаимодействия человека и машины. Однако перед лицом «неопределенности», связанной с поставками материалов, допусками на размеры и накоплением помех на площадке, роботы с разомкнутым контуром командного управления часто «кажутся неуклюжими». В горнодобывающей отрасли подобные проблемы стоят особенно остро: крепление подземных горных выработок, торкретирование бетоном или цементным раствором, анкерно-торкретная крепь и другие процессы до сих пор в значительной степени зависят от ручного труда или полуавтоматизированного тяжелого оборудования. Накопление ошибок при дистанционном управлении и задержка информации, вызванная сложными рабочими условиями, затрудняют одновременное достижение точности работ и безопасности крупномасштабного строительства. Как заставить роботов адаптироваться к физической обратной связи в высокодинамичной среде, «оценивать обстановку» подобно человеку и направлять ручные операции с помощью визуальных средств в реальном времени, стало ключевой стратегической точкой опоры для глубокой интеграции интеллектуального строительства и интеллектуальной добычи полезных ископаемых.
Адаптивный процесс совместной работы: от «разомкнутого исполнения» к «коррекции в реальном времени»
Исследовательская группа предложила адаптивный процесс совместной работы человека и робота в строительстве. Ключевыми инструментами этого процесса являются контур обратной связи в реальном времени на основе лазерного сканирования и система наведения с помощью проекции на конечном эффекторе:
Замкнутая коррекция на основе лазерного сканирования: с помощью интеллектуального лазерного сканера роботизированная система непрерывно собирает данные о фактических размерах кирпичей и их положении при укладке. При обнаружении смещения, вызванного допусками на сырье или накопленными отклонениями от предыдущих операций, робот больше не выполняет механически предварительно запрограммированные инструкции, а использует обратную связь от лазерного сканирования для динамической коррекции своего захвата и положения при укладке. Этот адаптивный механизм с замкнутым контуром напрямую устраняет узкое место отрасли — «неопределенность материалов и сборки».
Наведение с помощью проекции на конечном эффекторе в реальном времени: исследовательская группа инновационно установила высокоточный проектор на конце манипулятора робота. После точной укладки кирпича роботом система с помощью алгоритмов в реальном времени вычисляет и немедленно проецирует область нанесения клея, необходимую для следующего кирпича, в визуальной форме точно на рабочую поверхность для человека. Это означает, что рабочему не нужно пересчитывать чертежи или оценивать на глаз — достаточно действовать вдоль «светящегося синего контура» на полу или стене.
В статье отмечается, что благодаря этому замкнутому взаимодействию «восприятие-вычисление-коррекция-проекция» система значительно повышает точность и надежность совместной работы, успешно предотвращая масштабные переделки и аварии, вызванные разомкнутым исполнением.
Технологический перенос: от кладки стен к подземным выработкам
Хотя в данной статье в качестве отправной точки рассматривается кладка кирпича, построенная в ней техническая архитектура «замкнутого адаптивного управления на основе 3D-сканирования» и «наведения на конечном эффекторе с отображением реальной обстановки» обладает чрезвычайно высокой универсальностью для базового оборудования, особенно в сложных операциях горной инженерии, где открываются широкие перспективы применения:
1. Крепление и возведение герметизирующих перемычек в подземных выработках угольных шахт
Условия строительства герметизирующих сооружений в подземных выработках угольных шахт сложнее, тяжелее и опаснее, чем на поверхности, с длительным временем работ, высокой трудоемкостью и стоимостью. Традиционное пневматическое торкрет-оборудование или ручная кладка часто запаздывают в адаптации к изменчивому контуру горных пород и прочности крепи в забое. Используя эту технологию, будущие интеллектуальные подземные роботы для кладки/торкретирования смогут с помощью высокоточного лазерного сканера, установленного на манипуляторе, в реальном времени воспринимать трехмерный контур окружающей породы выработки и точно корректировать положение установки элементов крепи; одновременно проекционная система на конце манипулятора сможет точно направлять вспомогательный подземный персонал при нанесении анкерующего раствора на опорные плиты или тампонажных материалов. Эта технология способна значительно повысить качество крепления стволов и камер, точность контроля вмещающих пород и эффективно устранить риски обрушений и отслоений, вызванных деформацией выработок.
2. Бурение по крепким породам и установка анкеров на открытых/подземных глубоких рудниках
В условиях современной тенденции разработки, когда «перекрывающие ресурсы» становятся «богатой рудой», точность бурения и контроль угла забуривания анкерных шпуров являются ключевыми факторами, ограничивающими коэффициент извлечения минеральных ресурсов и качество проходки выработок за один цикл. Механизм динамического визуального восприятия в данной технологии может эффективно расширить возможности интеллектуальных буровых роботов для горных работ: позволить им обнаруживать микросмещения буровой коронки, вызванные изменением литологии в процессе бурения, и с помощью адаптивной корректировки конечного эффектора в реальном времени избегать выхода из строя анкеров и перерасхода плотности крепления из-за отклонения скважины. В то же время, концепция наведения для нанесения состава в реальном времени на основе трехмерного изображения может быть расширена до «наведения позиции анкерующего состава» или «индикации глубины бурения», что позволит реализовать весь процесс бурения-анкерования-крепления с минимальным участием человека или полностью безлюдным способом.
3. Совместная работа на забоях подводных/глубоких шахт
В подземных замкнутых пространствах перекрестное выполнение работ крупногабаритным добычным оборудованием и ручными бригадами всегда было сложной задачей для безопасности шахт. Предложенный командой Принстона замкнутый метод «коммуникации человек-робот» предлагает высокостабильное инженерное решение для координации работы разнородного подземного оборудования в шахтах. Его низкоуровневая стратегия управления может быть напрямую преобразована в ядро координированной диспетчеризации роя угольных роботов, гарантируя фундаментальное обеспечение точности работ и границ безопасности по всей линии забоя в экстремально суровых условиях.
Появление этой технологии является не только важным признаком наступления эры «Строительство 4.0», но и ключевым фундаментом для перехода горнодобывающей отрасли к по-настоящему безлюдным производствам. По мере распространения этой концепции «адаптивного сотрудничества» на специализированных тяжелых роботов для горных работ, горные операции ускоренно перейдут от этапа «замены человека механизацией» к новой эре «замены человека адаптивными роботами», что приведет к революционному скачку в уровне intrinsic безопасности и эффективности комплексного использования ресурсов на шахтах по всему миру.