Робототехника в строительстве реферат

Обновлено: 07.07.2024

Все сложные системы состоят из большого количества независимых компонентов, каждый из которых выполняет простейшие действия, в совокупности, приводящие к общим высоким результатам.

Большинство строительных проектов, реализуемых людьми, выполнено подготовленными рабочими, которые действуют в рамках иерархически выстроенной системы. Вначале у рабочих есть подробный план того, как выполнить проект, и есть руководитель, направляющий и контролирующий команду. Но с увеличением числа рабочих и размеров строения, руководить становится труднее. На основе этих фактов ученые пришли к выводу, что нужно развиваться и решать данные проблемы. В результате многих исследований и испытаний, программисты и инженеры из школы технических и прикладных наук Гарвардского университета создали автономную роботизированную команду строителей, которые работают как единая система [1]. Данная запрограммированная система не нуждается в наблюдении и контроле. Она использует произвольное число независимых роботов, которые, следуя идентичному набору простых правил, все вместе производят сложные трехмерные строения и, при этом, не требуют централизованного контроля или предварительного распределения функций. Необходимые правила генерируются автоматически в результате представления целевой структуры и гарантируют правильную реализацию проекта [2].

$C:\Users\User\Desktop\магистратура 1 курс\статья\статья РОБОТОТЕХНИКА В СТРОИТЕЛЬСТВЕ\Autonomous-Vehicles-Do-You-Agree-With-Them.jpg$

Рис. 1. Робототехника в строительстве

Роботы в системе имеют ограниченные способности. Они могут двигаться вперед и назад, поворачиваться на месте, взбираться вверх или спускаться вниз, поднимать один кирпич, перемещаться, неся его, и класть кирпич непосредственно перед собой на возможном досягаемом уровне. Роботы в состоянии воспринимать только собственные действия с кирпичами, а также действия других роботов, находящихся в непосредственной близости. Информация о текущем состоянии всего строения и действиях более отдаленных роботов им не доступна. Действия каждого робота основываются на существующей на данный момент конфигурации кирпичей. Роботы получают информацию о том, где кирпичи были положены, только посредством осмотра самой структуры. Однако эта информация может быстро устаревать, поскольку другие роботы могут изменить структуру, добавляя свои кирпичи. Столкнувшись с такой ситуацией, роботы в состоянии принять решение о продолжении возведения конструкции в других частях здания независимо от действий других роботов. Так, каждый робот участвует в процессе строительства, выполняя работу параллельно с другими роботами, но, не зная того, что еще происходит на строительной площадке в то же самое время. Если один робот ломается или выводится из строя, это никак не влияет на работу других роботов и на сам процесс строительства. Это означает, что аналогичные инструкции могут быть выполнены как пятью роботами, так и 500 [2].

Рис. 2. Пример строительства дома по технологии 3D-печати

Эти роботы могут построить башни, замки и пирамиды из кирпичей, возводя лестницы, которые позволяют им подниматься на более высокие уровни конструкции и класть кирпичи везде, где это необходимо. В будущем, говорят исследователи, подобные роботы могли бы использоваться для выкладывания мешков с песком перед наводнением или даже выполнения строительных задач на Марсе. Таким образом, подобные системы могли бы позволить осуществлять строительство в условиях, где человеческое присутствие опасно или проблематично, как в зонах бедствия или в космосе.

В настоящее время роботы-строители представляют лучшую разновидность работающей системы, которая является централизованной и децентрализованной одновременно. Использование этих роботов в современном строительстве позволило бы делать самую трудную работу с минимальным применением человеческих ресурсов, и, при этом, гарантировать повышение точности действий.

Содержание

Строительство – одна из наиболее трудозатратных отраслей человеческой деятельности. Огромное разнообразие работ требует привлечения специалистов с самой разной квалификацией. Однако в строительной сфере стабильно отмечается недостаток рабочих кадров, который в прошлом году дополнительно усугубился социальным дистанцированием. И отрасли приходится приспосабливаться к таким непростым условиям и решать проблему с недостатком опытных кадров различными путями. И это не только активная работа рекрутеров – все большее значение для решения кадрового вопроса в строительстве приобретают высокие технологии. В частности, уже сегодня на помощь человеку, а иногда и на замену ему приходят инновационные машины – строительные роботы.

Под роботами мы подразумеваем здесь автоматизированные машины с определенным функционалом, которые помогают в выполнении тех или иных строительных работ. И отметим сразу: ведущие эксперты в сфере кибернетических технологий уверены, что роботы не отбирают рабочие места у человека, а модернизируют их. И это обещает дать великолепные результаты.

Основные категории роботов, используемых в строительстве

Наиболее известная концепция робота – металлический механизм гуманоидного типа – уже давно далеко не единственный вариант. Конфигурации роботизированных механизмов, применяемых в строительном деле, поражают своим разнообразием. Под роботом понимаются максимально непохожие друг на друга концепции, от беспилотной техники до человекоподобных механизмов, которые могут работать в этой отрасли.

Всего же можно выделить 4 ключевых типа роботизированных помощников, подходящих для строительной сферы.

Промышленные роботы

Такие механизмы давно и эффективно работают на производственных предприятиях. Изначально именно для нужд промышленности инженеры начали разрабатывать автоматических помощников. И параллельно с развитием технологий расширяются и возможности применения робототехники для выполнения широкого спектра операций.

Промышленные роботы чаще всего используются в следующих процессах:

Производство с помощью шарнирных манипуляторов

Это роботы шарнирно-сочлененного типа. Внешне и своими движениями они очень похожи на человеческую руку – это позволяет использовать их в самых разных работах от простой автоматизированной сборки до сложных сварных работ.

На самом деле шарнирные роботы настолько универсальны, что их используют даже для строительства в условиях космоса. Например, устройства серии Canadarms - это роботизированные подъемные краны, расположенные на МКС, где они во многих задачах эффективно заменяют человека. Кроме того, им уже отведена большая роль в реализации проекта Lunar Getaway.

3D-печать с использованием декартовых роботов

Эти механизмы, также известные как линейные или портальные, представляют собой роботизированные установки, суставные рабочие органы которых двигаются в трехмерной системе декартовых координат. Эти роботы уже давно и активно применяются для множества задач, прежде всего, для погрузочно-разгрузочных работ. Однако в последние несколько лет они активно меняют специализацию и превращаются из крана-погрузчика в уникальный 3D-принтер.

Трехмерную печать вообще называют едва ли не главным трендом современной строительной отрасли. Эта технология позволяет создавать не только отдельные конструктивные элементы, но и даже целые дома. А если объединить функционал 3D-принтера с искусственным интеллектом и точностью действий робота, то можно буквально автоматизировать производство, гарантированно получая высокое качество готового сооружения. А еще такое строительство будет намного дешевле, что в перспективе может серьезно помочь в решении жилищного вопроса – прежде всего, в бедных странах.

Совместная работа человека и робота

Коллаборативные роботы, также известные как коботы, - это высокотехнологичные механизмы, способные работать не вместо человека, а совместно с ним и выполнять задачи, которые были бы слишком сложны для человека или робота по отдельности. Постоянная нехватка рабочей силы – это реалии строительной отрасли, и коботы могут стать эффективным решением этой проблемы и однажды заменить людей, взяв на себя выполнение неквалифицированной работы.

Дроны

Беспилотники уже стали для строительной индустрии настоящей палочкой-выручалочкой. Их функции и возможности находят применение при выполнении самых разных работ и в конечном итоге обеспечивают безопасность и ускоренную реализацию проектов.

Поскольку дроны управляются дистанционно, они способны поставлять наиболее актуальные сведения о ходе работ без привлечения человека. В результате вы можете практически в режиме реального временим наблюдать за тем, как идет строительство. Причем вы получите четкую картинку с высоким уровнем детализации.

По мере того, как отрасль продолжает развиваться и интегрировать в себя всё новые и новые инновации, масштабы использования дронов в строительной отрасли будут только увеличиваться. Но уже на сегодняшний день они практически монополизировали ряд задач, предложив для них недостижимые ранее возможности решения:

С помощью дронов можно проводить подробную аэрофотосъемку различных участков, по результатам которой впоследствии можно построить подробную и точную 3D-модель. Это значительно упрощает процесс территориального планирования и подготовки участка к работе. Кроме того, подробная модель территории, планируемой под застройку, помогает более точно планировать бюджет и экономить деньги в долгосрочной перспективе.

Удаленный мониторинг и осмотр рабочих мест

Вместо аренды подъемного оборудования, которая стоит денег и требует отвлечения от своей работы ваших сотрудников, дроны помогут легко и без лишних трудозатрат провести осмотр рабочей зоны, возводимого объекта, результатов отдельных работ. Причем беспилотник подойдет и для мониторинга труднодоступных конструкций, например, вентсистем и фасадов.

Безопасность - один из наиболее важных и одновременно проблемных аспектов на строительной площадке. Совокупные годовые объемы хищений со строй площадок оцениваются разными экспертами в сумму от 300 млн до 1 млрд долларов. Вернуть на место же удается не больше 25% украденного. Одна из причин такой ситуации – лимитированные возможности человека. Для контроля всей территории стройплощадки пришлось бы нанимать целый штат охранников. Однако их можно заменить дронами, которые будут контролировать ситуацию с высоты птичьего полета, фиксируя сразу все происходящее.

Самоходные строительные машины

В то время, как автопромышленность сейчас еще только работает над разработкой беспилотных автомобилей общего пользования, в строительной отрасли автономные машины используются уже довольно активно.

В этом сегменте особо выделяется компания Built Robotics, которая специализируется на модернизации стандартного тяжелого оборудования путем его объединения с системами управления на основе ИИ. В настоящее время модельный ряд компании состоит из полностью автономных бульдозеров, экскаваторов и компактных гусеничных погрузчиков. Основная проблема, которую решает такая автоматизация тяжелой техники, - это безопасность строительства и ремонта дорог.

Новый уровень эффективности с ATL

Автономные гусеничные погрузчики (ATL) от Built Robotics комплектуются системой LiDAR, измеряющей расстояние до объекта по световым импульсам, и мощным GPS-комплексом. В результате погрузчик может работать полностью без оператора. С его помощью можно легко и быстро решать простые строительные задачи, например, проводить земляные работы на придомовом участке.

Делаем больше с умными бульдозерами

Бульдозеры - это универсальные машины, которые могут выполнять широчайший спектр работ от перемещения тяжелых предметов до выравнивания различных типов грунта. А техника от Built Robotics может делать все то же самое, только без сидящего за рулем машиниста.

Высокая результативность работ с автономными экскаваторами

Автоматизированные экскаваторы от Built Robotics может выполнять весь традиционный перечень работ. Их создатели тщательно проработали механизм взаимодействия техники и оператора – благодаря этому управлять автономной машиной могут даже работники без особого опыта. Весь процесс интуитивно понятен и последователен. В то же время Международный союз инженеров-эксплуатационников (IUOE) уже запустил совместно с Built Robotics курсы обучения для будущих операторов умной техники.

Роботы-гуманоиды

Такие машины могут стать еще более эффективной заменой недостающих кадров. Разумеется, пока их разработка в большей степени остается проектом, однако уже есть реальные человекообразные роботы, которые вполне могут стать началом новой эры кибернетики.

HRP-5P – робот-строитель из Японии

Этот робот был разработан специалистами Национального института передовой промышленной науки и технологии как прототип, адаптированный к гражданскому использованию. Искусственный интеллект и продуманный функционал позволяют ему фиксировать и передвигать тяжелые объекты, пользоваться дверьми и лестницами, обнаруживать препятствия на своем пути и огибать их, а также работать с ручным инструментом. За ориентацию HRP-5P в пространстве отвечает сложный комплекс технологий машинного зрения и распознавания объектов. В то же время этого робота пока нельзя считать даже приблизительной заменой реального работника – его искусственный интеллект пока еще не столь мощен и способен к самообучению.

Valkyrie – работ НАСА для колонизации космоса

Как роботы меняют сферу строительства?

Технологическое совершенствование – это всегда прогресс, улучшение. В контексте роботизации строительства под улучшением следует понимать не вытеснение человека роботом, а совершенствование процесса работы и ее результатов. Строительные роботы позиционируются как помощники, способные упростить адаптацию строительной сферы к стремительно меняющимся внешним условиям.

Однако несомненно, что в ближайшее время роботы не смогут полностью заменить людей. Даже те автоматы, которые используются сегодня, все равно в той или иной степени требуют участия человека. И едва ли в обозримом будущем технологии разовьются до такого уровня, когда строительные машины смогут работать полностью без участия человека. Однако сам факт, что роботизация строительства уже началась, отвергать уже нельзя.

Строительство — это область человеческой деятельности, где для робототехники имеется огромный потенциал. Строительный робот способен облегчить труд рабочих, ускорить процесс, обеспечить возведение уникальных сооружений в экстремальных условиях. В настоящее время существует целое направление с такой специализацией, базирующееся на инновационных технологиях и подходах.

Зачем нужны строительные роботы?

Строительные работы всегда связаны с трудоемкими операциями, требующими тяжелого физического труда. Применение роботов-строителей позволяет значительно сократить сроки строительства, облегчить труд на основных и вспомогательных процессах, устранить человеческий фактор, нередко приводящий к тяжелым последствиям, повысить качество и точность строительных работ. В ряде регионов климатические условия затрудняют строительство, а для роботов они не страшны. В конечном итоге роботизация позволяет снизить себестоимость возводимых объектов и расширяет зоны возможного строительства.

Пресловутый человеческий фактор начинает сказываться уже на стадии проектирования сооружений. Все несовершенства человеческого участия способна устранить робототехника. Разработана специальная технология — Building Information Modeling (BIM), позволяющая создавать информационную модель любого объекта. Путем сбора и обработки всех сведений о сооружении и их взаимосвязей формируется трехмерная модель конструкции. Использование роботов повышает точность ее построения с учетом всех воздействующих факторов.

Типы строительных роботов с примерами использования

Ведущие компании, связанные с робототехникой, уже сейчас выпускают разнообразные строительные аппараты, с успехом используемые при строительстве больших объектов. Такие устройства показали свою высокую эффективность на всех стадиях — от проектирования до финишной отделки.

Робототехника Universal Robots в строительстве

Комплексный подход в автоматизации строительных работ продемонстрировали разработчики роботов Universal Robots. Их можно рассмотреть на примере самого легкого представителя этой серии — модели UR3e. Это компактный коллаборативный робот, подходящий для совместной работы с разнообразным оборудованием. Он имеет манипулятор в форме руки, в котором обеспечивается круговое вращение (360 градусов) во всех сочленениях (суставах) и неограниченное вращение в торцевом соединении. Такая подвижность дает возможность выполнения различных работ с подъемом и перемещением предметов весом до 3 кг.

Робот имеет универсальные способности. Его можно использовать для сборки конструкций (в т. ч. для завинчивания и сварки), склеивания, дозировки многокомпонентных смесей и растворов, полировки и зачистки, погрузочно-разгрузочных работ.

Строительные роботы для кладки кирпичей

Возведение кирпичной кладки — это достаточно трудоемкая и однообразная работа. Однако при ее выполнении необходимо тщательно контролировать горизонтальность рядов и вертикальность кладки. Строительные роботы, работающие по соответствующей программе, легко справляются с такой задачей, значительно ускоряя процесс.

Одним из первых аппаратов стал американский робот Construction Robotics SAM. Он способен качественно укладывать более 3000 кирпичей за смену, что в несколько раз превышает возможности человека. На российском рынке можно приобрести модель SAM100, который устанавливается непосредственно на месте возведения стен и обеспечивает нужное качество.

Другой пример — австралийский аппарат Fastbrick Robotics Hadrian X. Работая по программе BIM, он способен действовать по заданной пространственной модели, обеспечивая нужную систему кладки и резку кирпичей в рамках цельной конструкции.

Универсальный FANUC M-10iA/12S

Компания FANUC Robotics создала ряд роботов, которые эффективно выполняют разнообразные строительные работы. Примером может служить модель FANUC M-10iA/12S с укороченной рукой и полым запястьем. Это высокоскоростной аппарат с великолепной подвижностью суставов. Способен манипулировать предметами весом до 12 кг. Такой аппарат справляется с облицовочными материалами. Он может укладывать стекловолокно, пенопластовые и другие плиты. Высокая скорость достигается при ламинировании. Аппарат часто используется при погрузочно-разгрузочных работах, при этом формируется идеальная укладка в штабели.

Самоходный вакуумный подъемник-робот Geko PV

Больших физических усилий требует подъем и монтаж достаточно тяжелых строительных элементов — панелей (например, стеклянных), сэндвич-панелей, листов и плит. Облегчить такие операции способны роботы английской компании GGRgroup. Востребованным аппаратом является подъемник Geko PV. Это самоходное устройство в виде коленчато-локтевого механизма, обладающего специальными захватами вакуумного типа повышенной мощности. С их помощью оборудование захватывает и удерживает габаритные предметы весом до 175 кг. Груз может поворачиваться, фиксироваться в горизонтальной и вертикальной плоскости.

Роботы краны MCC 804

Указанная компания специализируется и на выпуске роботов-кранов. Они предназначены для сборки строительных конструкций в высотных сооружениях и входят в автоматизированную систему RCA, объединяющую такие подсистемы: подготовка и сборка материала, сборка балок и ферм, строительная система всего объекта, контроль и управление. Среди лучших аппаратов выделяется МСС 804 на гусеничном ходу. Оборудование снабжено телескопической 4-секционной стрелой, способной поднимать груз весом до 8 тонн на высоту почти 14 м.

Для возведения деревянных строений компания Kuka разработала и выпускает специальные строительные роботы. В частности, такими способностями обладает аппарат серии KR Quantec. В нем применена технология сшивки деревянных элементов. С помощью робота можно изготовить различные детали таких конструкций. Например, для павильона в Штутгарте (Германия) было произведено более 150 различных деревянных элементов с разным радиусом закругления. Практически все сооружение аппарат возвел в автоматическом режиме по специальной программе.

Роботы для сноса зданий

Для демонтажа различных сооружений роботы применяются уже несколько лет. Они представляют собой мобильные агрегаты, напоминающие экскаватор. Такие аппараты комплектуются всевозможными инструментами: дробилками, ковшами, молотами, сеялками и т. п. Ими разрушаются бетонные конструкции и демонтируются другие элементы. Характерный пример — телеуправляемый робот Brokk 330D (Швеция). Он работает от автономного дизельного двигателя.

Дроны в строительстве

Новое направление использования роботизированной техники в строительстве — задействование дронов. Они широко применяются для геодезических исследований перед началом строительства, контроля проведения работ и их соответствия проекту. Помимо таких исследовательских функций, дроны способны выполнять и практические работы: очистку территории, покраску, транспортировку и подъем строительных материалов. Примером использования дронов может служить робот-маляр Worker Bee американской компании Apellix.

Роботы и 3D-принтеры в строительстве

Современные 3D-принтеры находят применение в строительстве. Они используются для изготовления отдельных элементов и конструкций путем экструзии, порошковой технологии, аддитивной сварки. Такие детали отличаются высокой точностью, сложными формами и быстрым изготовлением. Американская компания ICON создала даже 3D-принтер, способный напечатать небольшой одноэтажный дом целиком.

Особое внимание уделяется совместной работе строительных роботов и 3D-принтеров. В этом направлении выделяется компания KUKA Branch Technology, создавшая такой конгломерат. С помощью совмещения работы аппаратов удается возвести сложные сооружения ячеистого типа.

Преимущества и перспективы использования роботов в строительстве

Применение строительных роботов имеет ряд неоспоримых преимуществ:

Точность монтажа, исключение ошибок при проектировании и строительстве. Создается возможность пространственного моделирования.
Существенно снижаются сроки строительства. Обеспечивается четкое выполнение согласованного графика независимо от погодных условий.
Оптимальный расход материалов. Существенно сокращается количество отходов.
Обеспечение строительства в труднодоступных местах и в экстремальных условиях.
Создание сложных, необычных форм, которые невозможно возвести ручным способом.

Несмотря на явные преимущества роботизации строительства, такие роботы все еще применяются редко. Это связано с высокой стоимостью аппаратов и наличием определенного недоверия. Перспективы внедрения роботизированного оборудования огромны. В настоящее время свои разработки предлагают ведущие зарубежные и отечественные компании. В них применены инновационные технологии, что повышает надежность аппаратов и качество работ.

Уже сейчас 3D-принтеры готовы распечатать целые поселения из небольших, но уютных домов. Они могут создаваться в труднодоступных местах, на тяжелых грунтах и вечной мерзлоте. С помощью строительных роботов возможно строительство в Арктике и Антарктике, высоко в горах и под водой. Опробована на практике пространственная печать мостов и башен. Если заглянуть в будущее, то строительные роботы могут стать незаменимыми помощниками при освоении других планет.

Робототехника в современном мире

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Робототе́хника (от робот и техника ; англ. robotics — роботика , роботехника ) — прикладная наука , занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем и являющаяся важнейшей технической основой развития производства.

Робототехника опирается на такие дисциплины:

Выделяют строительную, промышленную, бытовую, медицинскую, авиационную и экстремальную (военную, космическую, подводную) робототехнику.(Википедия)

В робототехнике соединяются механика, система управления и искусственный интеллект, поэтому она является важнейшим направлением научно-технического прогресса. Робототехнику требуются знания в вышеперечисленных дисциплинах, в результате робототехник, в отличие от узкого специалиста, обладает широким кругозором и системным мышлением.

Робот – устройство, управляемое с помощью электронной платы или компьютера, который можно запрограммировать на выполнение определенных операций. Он является электромеханическим, гидравлическим, пневматическим устройством или их сочетанием, в зависимости от сферы применения, предназначенный для замены человека или облегчения его труда.

Управление роботами делится на:

телеуправление – то есть с участием человека;

Существует три класса устройств робототехники, это сборные устройства, манипуляторы и уже готовые работы.

Системы управления робототехнических устройств строятся на том же техническом базисе, что и все другие автоматические устройства. В отличие от автоматов робот не просто следует заранее вложенному в него алгоритму, а способен воспринимать внешние сигналы и в соответствии с ними адаптировать свои действия в изменяющейся ситуации. Важно понимать, что на данный момент ещё нет универсальных роботов, которых можно было бы использовать для любой задачи. Инженеры-изобретатели разрабатывают и программируют роботов отдельно для каждой конкретной задачи.

По уровню применения робототехника подразделяется на:

Игровая робототехника может быть предназначена для детей и для взрослых. Игровая робототехника для детей направлена на выработку у них интереса к программированию и инженерным наукам. Игровая робототехника может быть полезна и для взрослых, так как её применение может способствовать выработке навыков поведения в типичных жизненных и опасных ситуациях.

В рамках обучающей робототехники используются робототехнические комплекты для детских, учебных и досуговых центров на базе Huna, Lego, Fishertechnik, Arduino. Например, компания LEGO выпустила первый робототехнический конструктор в рамках новой линейки конструкторов MINDSTORMS в 1998 году, открывая детям дверцу в волшебный мир роботов.

Актуальность темы.

В 21веке робототехника используется во всех видах промышленности, строительства, быта, авиации, особенно в экстремальных сферах деятельности человечества таких, как военная, космическая и подводная.

Цель реферата.

Целью реферата является рассмотрение видов и типов роботов, а также сферы их использования в современном мире.

Строительная робототехника.

Строительная робототехника, как это понятно из её названия, связана со сферой строительства. То есть работа идёт над разработкой роботов, которых можно будет использовать как при строительстве различных объектов, так и, что интересно, при их разрушении. Трудоёмкость обоих этих процессов высока, да и технологичность каждой операции процесса строительства должна быть на должном уровне. Поэтому использование роботов в этой сфере поможет соблюдать установленные технические стандарты и требования, а также может помочь максимально исключить ошибки, допускаемые из-за человеческого фактора.

Промышленная робототехника.

Промышленные роботы уже активно используются на заводах и фабриках, при производстве игрушек, чайников, мотоциклов, конфет, а также в производстве действительно сложных изделий, например, автомобилей. Роботы могут без помощи человека варить металл, штамповать, собирать по частям готовые продукты, всё это происходит благодаря особым конструкциям и программам, которые определяют функционал каждого робота. Говоря иными, а именно научными словами, такие устройства предназначены для автоматизации производства — изготовления чего-либо без помощи человека.

Бытовая робототехника.

Роботы для использования в домохозяйствах, включая персональных роботов, как правило, узкоспециализированные - каждый под какой-то один вид деятельности. В перспективе можно ожидать появления многофункциональных, универсальных роботов, способных выполнять различные виды деятельности. Жаргонное название - "домашники". Отличаются многообразием видов, в зависимости от назначения. Они могут быть: помощниками для пожилых людей, дворецкими, кухонными работниками, охранниками и т.д.

В данное время всё усиливается спрос на умные дома, они позволяют быстро реконфигурировать одно и то же помещение в соответствие с текущими задачами в режиме реального времени. Электроприводы, повинующиеся заложенной программе или нажатию кнопок в приложении, выдвигают из недр робо-комплекса кроватили или столы, настраивают конфигурацию шкафов и полок. А в роботизированном доме даже перегородки между комнатами могут передвигаться так, как нужно сейчас хозяину. Как в ручном режиме, так и автоматически, например, в таком доме занавески раздвинутся как раз тогда, когда хозяин встает, одновременно включится, например, кофеварка.

Медицинская робототехника.

Главной целью развития медицинской робототехники является высокая точность и повышение эффективности лечения, уменьшение рисков нанесения вреда здоровью человека. В настоящее время роботы играют колоссальную роль в развитии современной медицины. Они способствуют точной работе при операциях, помогают провести диагностику и поставить правильный диагноз. Заменяют отсутствующие конечности и органы, восстанавливают и улучшают физические возможности человека, снижают время на госпитализацию, обеспечивают удобство, быстроту реагирования и комфорт, экономят финансовые затраты на обслуживание. Вот некоторые роботы применяемые в медицине: роботы хирурги, роботизированные протезы, нанороботы и многие другие медицинские роботы.

Авиационная робототехника.

Авиация в плане роботизации не отстаёт от других сфер деятельности человека.

В нынешнее время очень популярным являются беспилотные летательные аппараты (БПЛА). БПЛА - беспилотный летательный аппарат военного назначения, разновидность военного робота. В задачу этих автономных систем, созданных для полёта, входит выполнение миссий, потенциально опасных для человека.

Также в авиации широко используются промышленные роботы, задействованные в производстве, обслуживании и ремонте самолётов.

Военная робототехника.

К группе военных роботов относят всевозможные беспилотные разведчики, машины для минирования и разминирования местности. Был разработан даже настоящий робот-медик. Называется этот робот Bloodhound, а предназначен он для оказания помощи раненым, к которым невозможно приблизиться врачам из-за сильного огня со стороны противника. Bloodhound оснащён видеокамерами, радиостанцией с микрофоном и динамиками, а также стетоскопом. Все эти элементы робота позволяют медикам дистанционно управлять им, проводить первичный осмотр раненого и даже беседовать с ним. После постановки диагноза Bloodhound может остановить кровотечение (например, наложить повязку на рану) и сделать назначенный укол, который позволит раненому дождаться эвакуации. Благодаря таким роботам можно спасти огромное количество человеческих жизней.

В 2004 российские инженеры создали робота, способного обнаруживать и обезвреживать взрывные устройства. Такой робот способен проникать и доставлять в труднодоступные зоны средства наблюдения и разведки, а также осматривать подозрительные объекты и в случае необходимости осуществлять их транспортировку до места назначения или разминирование. Робот может работать индивидуально или в группе таких же машин.

Космическая робототехника.

Космороботы – это роботы, приспособленные работать в космическом пространстве. Преимущество космических роботов перед человеком заключается в том, что они могут работать в крайне неблагоприятных условиях и обходиться без каких-либо ресурсов, так как в большинстве случаев они работают на солнечных батареях. Также гораздо легче будет пережить потерю такого робота, чем гибель астронавта. Обычно, задача косморобота заключается в проведении какой-нибудь научной деятельности. Вообще-то, тоже самое может сделать и обычный робот, работающий на земной поверхности, но к космороботу есть несколько основных требований, которым он должен соответствовать.

функционировать в сложных условиях враждебной среды;

весить как можно меньше;

потреблять мало энергии и иметь долгий срок службы;

работать в автоматическом режиме;

обладать чрезвычайной надежностью;

Для того, чтобы соответствовать всем этим требованиям, учёные создают все новые и новые устройства, механизмы, приводы, микроконтроллеры, обладающие высокой прочностью и использующим как можно меньше энергии. Эксперты подсчитали, что отправление на Марс человека будет стоить примерно 200-300 миллиардов долларов, при том, что это будет безвозвратное отправление. Еще придется потратить несколько месяцев на психологическую адаптацию участников экспедиции. А отправка корабля, на борту которого будет робот, обойдется примерно в 5-10 миллиардов долларов. Так что роботы в космосе обходятся намного дешевле, чем люди.

Подводная робототехника.

В современной жизни человек уже использует роботов во всех сферах своей деятельности. В большинстве своём роботы являются не заменимыми помощниками, но всё чаще они используются там, где человек справлялся без особого труда. Благодаря своему интеллекту человек развил науку, и смог создать робототехнику, но из-за своей лени он всё чаще стремится заменить свой труд роботами. Но и этого человеку мало, теперь человек пытается создать, для своих роботов, искусственный интеллект. С искусственным интеллектом роботы смогут самостоятельно оценивать происходящее вокруг них и принимать решения по действиям, которые им необходимо произвести. Человеку не надо уже будет тратить силы и время на подачу необходимых команд и алгоритмов. Но такое положение дел может привести к деградации человечества, а возможно и исчезновения, как вида, с лица земли. Вполне возможно, что великие достижения человеческого разума и человеческая лень, могут обернуться против самого человека.

Прейко М., Устройства управления роботами: схемотехника и программирование – М.: Издательство ДМК, 2004, 202с.

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

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

1980-е: роботы-каменщики

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.

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.

Ассистенты каменщиков

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?

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.

Читайте также: