На строительной площадке толщина партии кирпичей может отличаться на несколько миллиметров, а консистенция раствора может сильно варьироваться в зависимости от погоды и времени перемешивания. Опытные каменщики, обладая многолетним опытом, чувствуют эти нюансы и выравнивают кладку в процессе работы — но традиционные машины на это не способны. Робот может точно выполнять программные команды, но не может «почувствовать» отклонение, накопившееся между текущим и предыдущим кирпичом из-за различий в партиях материала. К моменту завершения верхних рядов отклонение становится уже неисправимым.
Это «проклятие точности» строительных роботов и является ахиллесовой пятой, сдерживающей их масштабное внедрение в отрасли.
Робот точен, но проигрывает «неточности»
За последние десять лет строительные роботы достигли миллиметровой точности движений: каждое взятие манипулятора и координаты укладки каждого кирпича строго следуют заданной цифровой модели. Однако между неопределенностью строительной площадки и «идеализированной» средой моделирования существует системный барьер:
Погрешность материала: размеры кирпичей различаются от партии к партии, фактические размеры одного и того же кирпича могут отличаться от проектных спецификаций на 1–2 мм, что при последовательном накоплении приводит к значительным отклонениям;
Погрешность сборки: незначительное отклонение при укладке предыдущего кирпича наследуется и усиливается следующим кирпичом, что называется «накоплением допусков»;
Вмешательство в процесс: толщина, положение и равномерность нанесения клея вручную имеют естественные колебания, а захват и перемещение робота также зависят от фактического положения кирпича;
Ограничения связи: при традиционном человеко-машинном взаимодействии робот практически «не замечает» ручных операций, рабочий действует по опыту, а робот — по заданной траектории, информационный контур между ними изначально разорван.
Лаборатория CREATE под руководством доцента Школы архитектуры Принстонского университета Араша Аделя долгое время сосредоточена на ключевой проблеме человеко-роботизированного взаимодействия: «Как робот может разделить труд с человеком, поддерживая друг друга, ощущая друг друга и совместно выполняя сложное строительство, подобно строительным рабочим».
Недавно команда опубликовала прорывное исследование под названием «Адаптивное человеко-машинное взаимодействие для кладочных работ в условиях неопределенности материалов и сборки», в котором систематически описывается, как с помощью двух взаимодополняющих технологических механизмов преобразовать «неопределенность» на строительной площадке в контролируемые переменные, которые можно «ощутить» и «скорректировать».
Установка «глаз» для строительства с помощью замкнутого контура «лазер + проекция»
Коррекция с помощью лазерного сканирования: робот автономно корректирует позу захвата и укладки
Первая ключевая технология — это коррекция позы захвата и укладки на основе обратной связи от лазерного сканирования.
В традиционном режиме управления с разомкнутым контуром робот укладывает кирпичи один за другим по заданной программе, не зная о фактических различиях в форме захватываемого объекта — длиннее или короче фактическая длина кирпича, соответствует ли плоскостность ожиданиям. Погрешность каждого кирпича «кодируется» в конструкцию без изменений и накапливается, усиливаясь с каждым рядом.
Данная технология с помощью онлайн-лазерного сканирования перед каждым захватом определяет фактическое положение и геометрические параметры кирпича, на основе чего динамически корректирует план укладки; после укладки с помощью быстрого сканирования строится локальная трехмерная модель, сравнивается с проектной моделью и оценивается оптимальное положение для следующего кирпича. Эксперименты показывают, что этот механизм лазерной коррекции позволяет значительно поддерживать горизонтальность каждого ряда кладки, эффективно избегая рисков столкновения и сбоев сборки, вызванных накоплением погрешностей при разомкнутом контуре.
Проекционная навигация: подсветка «невидимых ориентиров» для ручных операций
Вторая ключевая технология — это устройство проекционного наведения в реальном времени, установленное на конечном эффекторе робота.
В процессе кладки робот отвечает за транспортировку и точную укладку кирпичей, а рабочий сразу же наносит специальный клей на место, где будет установлен следующий кирпич. Рабочий должен постоянно точно определять «куда наносить клей, какой толщины и какой формы», а также, учитывая накопленные погрешности, решать, нужна ли дополнительная компенсация за смещение предыдущего кирпича.
Проекционная система наглядно «визуализирует» эту информацию: после завершения укладки текущего кирпича робот с помощью проектора на конечном эффекторе проецирует на предполагаемое место установки следующего кирпича контур, границы и рекомендуемую толщину нанесения клея. Эксперименты показывают, что этот механизм проекционного наведения значительно улучшает согласованность и точность позиционирования при нанесении клея, а также эффективно сокращает время нанесения клея за один раз.
Полномасштабная экспериментальная проверка: стандартная и нестандартная кладка
Данная схема прошла полномасштабную экспериментальную проверку в условиях стандартной и нестандартной конфигурации кладки:
В режиме стандартной кладки в шахматном порядке система достигла сбалансированного взаимодействия между высокоточной укладкой робота и эффективным ручным нанесением клея. В нестандартных конфигурациях кладки, сталкиваясь с более сложным расположением кирпичей и траекториями нанесения клея, данная схема также продемонстрировала отличную адаптивность, подтвердив свою применимость в более сложных строительных сценариях.
Эти результаты показывают, что интеграция пространственной проекции и адаптации на основе обратной связи — с помощью датчиков материала и формы — позволяет эффективно снижать накопление допусков, повышая точность и надежность человеко-машинного строительства.
В аннотации к статье команда резюмирует, что данная работа «демонстрирует возможность интеграции пространственной проекции и адаптации на основе обратной связи в человеко-машинном взаимодействии в строительстве, снижения накопления допусков и повышения точности и надежности с помощью датчиков материала и формы».
Открытие новой главы в масштабном внедрении строительных роботов
Переопределение границ человеко-машинного взаимодействия, расширение возможностей строительных роботов следующего поколения
Долгое время основной путь развития строительных роботов делал упор на «полную автоматизацию» и «минимальное вмешательство человека». Однако сложность и неопределенность реальных строительных площадок делают это видение непрактичным для подавляющего большинства малых и средних проектов. Работа команды Принстонского университета демонстрирует более прагматичный технологический путь: не пытаться полностью заменить человека машиной, а позволить машине ощущать и адаптироваться к несовершенству человека, одновременно помогая человеку работать более эффективно и точно. Этот проект будет способствовать эволюции строительных роботов от обучения и воспроизведения к более высокому уровню адаптивности и автономности задач.
Ускорение локализации и универсализации высокотехнологичного строительного оборудования
В настоящее время в Китае в области строительных роботов уже достигнут прогресс в некоторых узких приложениях, но в целом все еще существуют проблемы, такие как низкая адаптивность к условиям площадки и высокая стоимость развертывания. Два технологических механизма, предложенные в данном исследовании — проекционная навигация и лазерная коррекция с обратной связью — обладают высокой степенью развертываемости, не требуют значительных изменений в существующем аппаратном обеспечении роботов и позволяют с низкими затратами значительно повысить адаптивность роботов к условиям площадки. Это ускорит масштабное внедрение высокотехнологичного строительного оборудования в таких ключевых процессах, как кирпичная кладка, монтаж сборных элементов и строительство сложных криволинейных поверхностей.
Содействие интеллектуальной модернизации всего строительного процесса
Концепция замкнутого цикла данных, продемонстрированная данной технологией, применима не только к кладке, но и может быть распространена на множество других сценариев, таких как бетонирование, монтаж сборных элементов и установка стальных конструкций. В будущем, с углубленной интеграцией сбора данных в реальном времени и цифровых двойников, управление строительством совершит фундаментальный скачок от «последующего контроля по принципу „человек за человеком"» к «самокоррекции процесса в реальном времени на основе данных», что значительно повысит эффективность строительства, снизит затраты на переделки и будет способствовать переходу строительной отрасли к экологичному и бережливому развитию.