Область знаний и практических навыков, известная как робототехника, исследует и разрабатывает способы создания и применения роботов - машин, способных выполнять разнообразные задачи с высокой степенью точности, быстроты и эффективности.
Роботизированные устройства особенно полезны в ситуациях, где выполнение задач может быть опасным или сложным для человека. Эти условия могут включать экстремальные температуры, радиоактивность, химическое воздействие, пыль и шум.
Робототехника в строительстве
В строительной отрасли, где робототехника уже успешно применяется, она может стать важным инструментом для оптимизации рабочих процессов, сокращения затрат и повышения безопасности на строительных площадках.
Это особенно актуально для строительства, которое является трудоемкой и ресурсоемкой отраслью, требующей большого числа квалифицированных специалистов, сложного оборудования и значительных объемов материалов. Кроме того, строительство сопряжено с высокими рисками, включая задержки сроков, перерасход бюджета и низкое качество работ.
С самого начала человеческой истории строительство играло важную роль во всех культурах и цивилизациях. От египетских пирамид и Великой Китайской стены до древних архитектурных сооружений майя и современных чудес, таких как небоскреб Бурдж-Халифа, робототехника внесла значительный вклад в развитие строительства.
К сожалению, общепринятого определения таких понятий, как автоматизация строительства или строительная робототехника, не существует на мировом уровне. Однако под автоматизацией строительства обычно подразумевают процесс проектирования или реализации любого производственного процесса внутри или вне площадки с использованием дистанционного, числового, полуавтономного или полностью автономного оборудования.
Что касается строительной робототехники, то это современное строительное оборудование, которое может управляться дистанционно, собирать и обрабатывать данные с различных датчиков, выполнять задачи с применением числового управления или полностью автономно.
Опыт успешного использования робототехники в разных условиях, включая подводные работы и космическое пространство, позволил разработчикам извлечь уроки и усовершенствовать определенные конструкции и методы выполнения задач.
Основной мотивацией для развития автоматизации строительства является потенциальная экономия трудозатрат после успешного внедрения новых технологий.
За последние годы строительная отрасль столкнулась со значительным сокращением числа квалифицированных сотрудников. В связи с изменяющимися демографическими тенденциями, существует высокая вероятность острого дефицита рабочей силы в будущем. Расширение автоматизации и использование робототехники может помочь преодолеть эту проблему и обеспечить стабильное развитие строительной отрасли.
Несмотря на то, что на первый взгляд может показаться, что передовая технология роботизированной автоматизации не используется на строительных площадках по всему миру, на самом деле, строительная робототехника давно рассматривается в качестве одного из перспективных решений для повышения эффективности и производительности строительной индустрии.
Однако, несмотря на достигнутый прогресс в данной области, полная автоматизация всех строительных технологических процессов еще не стала реальностью. Причиной тому является, прежде всего, негативное влияние на рабочий коллектив в строительной индустрии, которое стало основным сдерживающим фактором.
В силу высокой стоимости автоматизированного оборудования, оно является менее экономически привлекательным. Более того, широкий диапазон задач, выполняемых в рамках каждого проекта, существенно усложняет процесс внедрения робототехники на строительных площадках.
Виды строительных роботов
Робототехника открывает множество возможностей, приносящих ряд преимуществ и выгод для различных сфер деятельности. В частности, она позволяет увеличить производительность и улучшить качество жизни людей.
В некоторых ситуациях роботы справляются с задачами даже лучше, чем это делают люди. Например, применение роботов на производстве позволяет достигать невероятной точности, которую сложно обеспечить при использовании традиционных методов.
Роботы в строительстве доказали свою эффективность, снизив риск для жизни рабочих на строительных площадках.
Среди основных технологических достижений в строительной отрасли можно выделить следующие виды роботов:
- Роботы для демонтажа;
- Роботы для 3D-печати;
- Роботы-дроны;
- Сварочные роботы;
- Роботы-экзоскелеты;
- Роботы для кладки кирпичей;
- Роботы для дорожных работ;
- Роботы-погрузчики.
Роботы для демонтажа
Роботы для демонтажа используются в основном для разрушения зданий и сооружений. Этот процесс является важной частью строительного производства, особенно при реконструкции объектов.
Главное преимущество использования роботов для демонтажа состоит в повышении эффективности и безопасности. Оператор может управлять роботом, находясь на безопасном расстоянии от опасных веществ и мусора. Это делает роботов более предпочтительной альтернативой ручным инструментам.
Существуют роботы для демонтажа, использующие гидроэнергию для разрушения таких материалов, как слабый бетон. Это помогает предотвратить загрязнение воздуха и проблемы с утилизацией отходов. Однако стоит учесть, что использование роботов может привести к сокращению рабочих мест.
Существует три типа роботов для демонтажа: многофункциональные, использующие энергию воды и экологически чистые. Многофункциональный робот оснащен разными видами инструментов на манипуляторе. Робот, использующий энергию воды, разрушает конструкции под высоким давлением. Экологически чистый робот работает аналогично роботу, использующему энергию воды, но при этом поглощает обломки и мусор.
3D-печать и моделирование контуров
Технология трехмерной печати (3D-печать) прошла через значительную эволюцию за последние несколько десятилетий. Эта технология произвела революцию в производственной сфере, начиная от создания прототипов и заканчивая массовым производством предметов любой сложности.
Технология трехмерной печати была недавно внедрена в строительную отрасль. Она нашла широкое применение, начиная от строительства целого жилого квартала за неделю и заканчивая возведением домов за один день.
Эта технология имеет большой потенциал для изменения основных принципов строительства. Задачи, которые в традиционной строительной практике могут занимать месяцы, при использовании трехмерной печати могут быть решены за день-два.
В этом методе робот наносит точно необходимое количество материала и не оставляет никаких отходов, что снижает затраты и увеличивает эффективность. Основным недостатком этой технологии является ее влияние на человеческий фактор.
Из-за уменьшения затрат, времени и повышения эффективности многие рабочие на строительной площадке заменяются роботами. Для управления этими роботами требуется всего несколько операторов, что ведет к сокращению рабочих мест.
Беспилотные летательные аппараты (дроны)
Еще одной формой технологии, появившейся в прошлом десятилетии, стали дроны. Фактически, это беспилотные летательные аппараты, управляемые дистанционно человеком. Они используются для решения различных сложных задач.
Технология дронов находит широкое применение в разных отраслях, включая строительство. Существует четыре типа дронов в контексте строительной индустрии:
- Контурные строители. Эти дроны уникальны тем, что объединяют мобильность дронов с технологией трехмерной печати и создают летающие 3D-принтеры. Эта технология еще находится в стадии эксперимента.
- Транспорт. Дроны-транспортеры могут развиваться как рой роботов, работающих вместе для подъема тяжелых предметов и их перевозки на высокие места. Основное преимущество этой технологии заключается в возможности легкого доступа к высотам в сравнении с рабочими. Недостаток такой технологии может заключаться в снижении эффективности и точности из-за влияния ветра.
- Инспекция. Дроны для инспекции помогают получить панорамное изображение в 360 градусов и аэрофотосъемку строительной площадки. Это полезная технология, которая позволяет быстро получить снимки с различной степенью детализации.
Роботы для кладки кирпича
Одной из самых монотонных и времязатратных задач в строительном процессе является укладка кирпича. Риск ошибки возрастает из-за монотонности этой задачи. Роботы-укладчики используются на строительных площадках для эффективного выполнения подобных монотонных операций.
Первый механизм для укладки кирпича был запатентован в 1904 году. Первое устройство для укладки кирпича называлось "Motor Mason". Оно требовало трех человек для управления: один следил за качеством и обычно был опытным каменщиком, второй управлял движениями робота, а третий загружал кирпичи в специальный отсек. Робот двигался по рельсам, проложенным параллельно стене здания.
Робот укладывал кирпичи быстрее человека, но у него было несколько серьезных недостатков: частые поломки, крупные размеры, затрудняющие размещение в углах или сложных конструкциях вроде окон.
Большинство роботов-укладчиков используют манипуляторы промышленных роботов для выполнения монотонных действий.
Основным преимуществом такой технологии является высокая эффективность и сокращение сроков строительства. Единственный недостаток - высокая стоимость оборудования. Такая технология идеально подходит для крупных строительных объектов с жесткими дедлайнами.
Недавно разработанный робот, называемый SAM (сокращение от "Semi-Automated Mason", "Полуавтоматический каменщик"), созданный компанией Construction Robotics из Нью-Йорка, способен укладывать 3000 кирпичей за восьмичасовую смену, что больше, чем у традиционного каменщика.
Сварочные роботы
Основное назначение сварочных роботов - их активное использование в машиностроительной и судостроительной отраслях для соединения металлических деталей. Они обеспечивают выполнение точной сварки и легкую маневренность в труднодоступных местах.
В строительной сфере данная технология активно применяется при возведении небоскребов для сварки металлических балок в конструкции. Также она используется для сваривания кольцевых элементов в железобетонных плитах при реализации крупных строительных проектов. В отраслях, где используется эта технология, присутствует значительный риск для жизни людей.
В Японии подобные роботы уже несколько лет применяются при строительстве небоскребов. Недостатком этой технологии считается то, что она представляет собой стационарное устройство, которое необходимо установить на требуемом рабочем месте.
Экзоскелеты
Экзоскелет — это еще одно направление в развитии робототехники, позволяющее человеку надевать механический костюм. С его помощью можно увеличить силу, скорость и координацию движений обычного человека. При этом возможности травмированного или маломобильного человека увеличиваются в несколько раз. Любой работник сможет поднимать и перемещать более тяжелые предметы по сравнению со среднестатистическим человеком.
Недостаток этой технологии — громоздкость и ограниченность скорости и координации движений у большинства устройств.
Учитывая перечисленные недостатки, были проведены дополнительные исследования и разработки таких костюмов для определенных частей тела. В результате было создано множество разработок в этой области, которые привели к созданию разных категорий экзокостюмов:
- Экзоскелет для управления инструментами. Этот костюм оснащен пружинной рукой для удержания тяжелых инструментов, которая крепится к нижней части тела и имеет противовес. Примером такого экзокостюма является EksoZeoG от Ekso Bionics: механика позволяет управлять рукой, снижая усталость и сокращая время работы.
- Экзокостюм для поддержки спины. Он поддерживает спину рабочего при наклонах, позволяя обрабатывать грузы в правильной позе без риска повреждений спины. Снимает напряжение на мышцах при повторяющихся подъемах.
- Костюм для поддержки руки: механическая рука, помогающая поднимать тяжелые инструменты, или полный экзоскелет с поддержкой плеча и руки. Примером служит жилет EksoWork: плечевая и ручная рукоятка с подголовником для снижения напряжения и нагрузки на верхнюю часть тела.
- Поддержка сидения и стояния: легкие стулья, позволяющие сохранять постоянное положение при длительном сидении или стоянии. Поддерживают пользователя, как обычные стулья. Например, швейцарский костюм Noonee: стул без сиденья для снижения нагрузки на колено.
- Поддержка сидения и стояния: Эти стулья (например, швейцарский Noonee) помогают сохранять постоянное сидячее или стоячее положение в течение длительного времени, снижая нагрузку на колени и другие части ног.
- Костюмы на всё тело: Поддерживают позу всего тела, предоставляя дополнительную силу при подъеме тяжестей (вес груза поглощается пружиной и сжатым воздухом в спине костюма). Они снижают усталость и риск травм при поднятии тяжелых предметов.
Роботы-погрузчики
Роботы-грузчики предназначены для перемещения тяжелых и крупных объектов на строительной площадке. Они были созданы для уменьшения физического труда, необходимого при переноске тяжелых предметов на строительных площадках. Их работа основана на концепции визуального отслеживания и картографической локализации. Их использует компания Amazon на своих складских помещениях в Южном Нью-Джерси.
Однако, у этой технологии есть два недостатка. Первый, связанный с природой робота-грузчика, – для его функционирования необходима ровная поверхность. Однако на строительной площадке часто трудно найти идеально ровную поверхность, что может затруднить работу робота. Второй момент – необходимость программирования робота с картой строительной площадки.
Роботы для дорожных работ
Роботы для дорожно-строительных работ используются для укладки и перекрашивания дорожного покрытия. Они созданы для выполнения мелких работ и предотвращения пробок.
В настоящее время крупные строительные машины используются для перекраски и исправления небольших ям и трещин. Эта технология позволяет выполнять задачи в меньшем масштабе. Сейчас эта технология проходит ряд тестов и проверок перед внедрением в массовое производство.
Будущее строительной робототехники
Строительство всегда было одной из самых трудоемких отраслей. Сегодня на помощь строителям приходят новые технологии, среди которых важное место занимают роботы. Робототехника в строительстве уже не является чем-то новым и необычным.
Роботы уже используются на строительных площадках для выполнения различных задач, таких как укладка и покраска дорожного покрытия, перенос тяжелых предметов и многое другое.
В будущем строительная робототехника будет развиваться в нескольких направлениях:
- Во-первых, это разработка новых роботов, способных выполнять более сложные и точные задачи. Например, роботы могут быть использованы для создания сложных архитектурных форм или для выполнения работ на высотных зданиях.
- Во-вторых, будет развиваться программное обеспечение для роботов. Уже сегодня существуют программы, которые позволяют роботам самостоятельно перемещаться по строительной площадке и выполнять различные задачи. В будущем эти программы станут еще более сложными и позволят роботам работать в условиях, когда человек не может выполнить работу самостоятельно.
- Также будет развиваться взаимодействие между роботами и людьми. Уже сейчас существуют роботы, которые могут работать вместе с людьми на строительной площадке, помогая им в выполнении задач. В будущем роботы будут способны работать не только с людьми, но и друг с другом, выполняя более сложные задачи, такие как строительство высотных зданий или мостов.
- Наконец, будет развиваться система управления роботами. Сегодня многие роботы управляются с помощью дистанционного управления, но в будущем возможно создание роботов, которые смогут работать самостоятельно, используя искусственный интеллект и машинное обучение.
Таким образом, будущее строительной робототехники обещает быть ярким и разнообразным. Роботы смогут выполнять более сложные задачи и работать более эффективно, чем люди. Однако, для того чтобы это стало реальностью, необходимо продолжать исследования и разработки в этой области.
Андрей Повный, УО БГТУ "Гомельский государственный политехнический колледж", редактор сайта Школа для электрика