211service.com
Robotic Fabricator kan förändra hur byggnader byggs
Tillbaka på 1970-talet revolutionerade robotar bilindustrin och utförde en mängd olika uppgifter mer tillförlitligt och snabbare än människor. På senare tid har en ny generation skonsammare robotar börjat dyka upp på produktionslinjer i andra industrier. Dessa maskiner är kapabla till mer känsliga, krångliga uppgifter som att packa sallad. Denna kraftfulla nya arbetsstyrka kommer att revolutionera tillverkningen på sätt som ännu är svåra att föreställa sig.
Men byggbranschen är knepigare än många andra. Byggarbetsplatser är komplexa miljöer som ständigt förändras. Vilken robot som helst måste vara tillräckligt kraftfull för att hantera tungt material men lätt och liten nog att komma in i standardbyggnader och flexibel nog att navigera i terrängen.
Det är en stor fråga, men de potentiella fördelarna är enorma. Byggrobotar skulle tillåta nya typer av komplexa strukturer att monteras på plats snarare än i avlägsna fabriker och sedan transporteras till platsen. Det gör att nya typer av strukturer kan byggas på plats. Dessa strukturer kan faktiskt modifieras i realtid för att tillåta alla oväntade förändringar i miljön.
Så vad är det senaste inom byggrobotar?
Idag får vi svar tack vare Markus Giftthalers arbete vid ETH Zürich i Schweiz och några kompisar som har utvecklat en ny klass av robotar som kan skapa nya strukturer på en byggarbetsplats. De kallar sin nya robot för In Situ Fabricator1 och visar idag vad den kan.
In Situ Fabricator1 är designad från botten och upp för att vara praktisk. Den kan bygga saker med hjälp av en rad verktyg med en precision på mindre än fem millimeter, den är designad för att fungera semi-autonomt i en komplex föränderlig miljö, den kan nå höjden av en standardvägg och den kan passa genom vanliga dörröppningar. Och den är damm- och vattentät, drivs av vanlig el och har batteribackup. Utöver allt detta måste den vara internetuppkopplad så att en arkitekt kan göra realtidsändringar av eventuella planer om det behövs.
Det är en knepig uppsättning mål men som In Situ Fabricator1 till stor del uppfyller. Den har en uppsättning kameror för att känna av sin miljö och kraftfulla inbyggda processorer för navigering och planering av uppgifter. Den har också en flexibel, kraftfull robotarm för att positionera byggverktyg.
För att visa upp sin förmåga har Giftthaler och co använt den för att bygga ett par strukturer på en experimentell byggarbetsplats i Schweiz som heter NEST (Next Evolution is Sustainable Building Technologies). Den första är en dubbelbladig böljande tegelvägg som är 6,5 meter lång och två meter hög och gjord av 1 600 tegelstenar.
Även att placera en sådan vägg korrekt på en byggarbetsplats är en knepig uppgift. In Situ Fabricator1 gör detta genom att jämföra kartan över byggarbetsplatsen som den har samlat in från sina sensorer med arkitektens planer. Men även då måste den ha flexibiliteten för att tillåta oförutsedda problem som ojämn terräng eller materialavhängning som ändrar en strukturs form.
För att till fullo utnyttja de designrelaterade potentialerna med att använda en sådan robot för tillverkning, är det viktigt att inte bara använda sig av robotens manipulationsförmåga, utan att också använda möjligheten att återkoppla dess avkänningsdata till designmiljön, säg. Giftthaler och co.
Den resulterande väggen, där alla tegelstenar är placerade inom sju millimeter, är en imponerande struktur.
Den andra uppgiften var att svetsa samman trådar till ett komplext, krökt stålnät som kan fyllas med betong. Återigen visade sig In Situ Fabricator1:s flexibilitet vara avgörande. Ett problem med svetsning är att processen skapar spänningar som kan förändra strukturens övergripande form på oförutsägbara sätt. Så vid varje steg i konstruktionen måste roboten bedöma strukturen och tillåta alla formförändringar när den svetsar ihop nästa uppsättning trådar. Återigen är resultaten på NEST imponerande.
In Situ Fabricator1 är naturligtvis inte perfekt. Som en proof-of-princip-enhet använder Giftthaler och co den för att identifiera förbättringar de kan göra för nästa generations byggrobot. En av dessa är att In Situ Fabricator1 med nästan 1,5 ton är för tung för att komma in i många standardbyggnader – 500 kg är målet för framtida maskiner.
Men det kanske mest betydande problemet är en praktisk gräns för styrkan och flexibiliteten hos robotarmar. In Situ Fabricator1 kan manipulera föremål upp till cirka 40 kilo men borde helst kunna hantera föremål så tunga som 60 kilo.
Men det pressar det upp mot en praktisk gräns. In Situ Fabricator1s arm styrs av elmotorer som inte kan hantera tyngre föremål med samma precision. Dessutom är elmotorer notoriskt opålitliga under de förhållanden som finns på byggarbetsplatser, vilket är anledningen till att de flesta tunga maskiner på dessa platser är hydrauliska.
Så Giftthaler och co arbetar redan med en lösning. Dessa killar har designat och byggt ett hydrauliskt ställdon som kan styra en nästa generations robotarm samtidigt som de hanterar tyngre föremål mer tillförlitligt och med samma precision. De använder redan denna design för att bygga nästa generations byggrobot som de kallar In Situ Fabricator2, som ska vara klar i slutet av detta år.
Allt detta visar ett betydande lovande för byggbranschen. Andra grupper har testat framsteg som 3-D-utskrift av nya byggnader. Men en betydande begränsning av 3-D-utskrift är att byggnaden inte kan vara större än 3-D-skrivaren. Så en robot som kan konstruera saker som är större än den själv är ett användbart framsteg.
Men det finns ett stort arbete framför oss. Byggbranschen är naturligtvis konservativ. Den relativt långa ledtiden för att skapa nya byggnader (för att inte tala om byråkratin som följer med det) gör det svårt för byggföretag att investera i den här typen av högteknologiskt tillvägagångssätt.
Men Giftthalers och cos arbete borde hjälpa till att övervinna detta och visa upp robotarnas förmåga att skapa helt nya former av struktur. Det ska bli intressant att se om de kan göra för byggbranschen vad robotar har gjort, och fortsätter att göra, för bilar.
Ref: arxiv.org/abs/1701.03573 : Mobil robottillverkning i skala 1:1: In situ Fabricator