El campo de aplicación de los robots de construcción se inició en los años 80, especialmente en Japón, como una forma de mejorar las condiciones de trabajo de los humanos y aumentar así el atractivo de una profesión que a menudo no es demasiado apreciada.
Se han propuesto numerosas aplicaciones para los robots de construcción, como:
- (Nuclear) desmantelamiento de grandes instalaciones, demolición y desmantelamiento
- Construcción de edificios
- Construcción de carreteras
- Robots para la construcción pesada/civil (perforación, construcción de túneles, movimiento de tierras, etc.)
- Operaciones de mantenimiento
Las visiones iniciales de los años 80 y 90 resultaron ser demasiado optimistas, y el campo de la robótica de la construcción ha avanzado de forma mucho más lenta y tecnológicamente menos radical. En general, los robots de construcción han producido cifras de instalación de robots significativamente inferiores a las esperadas inicialmente.
Sin embargo, con la llegada de la personalización, la rápida asimilación de los procesos de fabricación aditiva, los equipos de fabricación en red y la creciente integración de datos, la construcción de edificios despega cada vez más en la actividad industrial y la apariencia pública.
La mayoría de los procesos de la construcción automatizada de edificios pueden agruparse en varios tipos predominantes de operaciones funcionales:
- Manipulación de materiales (a granel y por unidad de carga)
- Conformación de materiales (corte, rotura, compactación, albañilería y mecanizado, a veces en colaboración entre el trabajador y el robot
- Unión estructural (ensamblaje)
- Prototipo de robot de cable para la impresión de hormigón en 3D
- Planificación y seguimiento
Los robots para la manipulación de materiales incluyen grúas programables y robots móviles, manipulación de paneles de hormigón y albañilería en obras de construcción. En el caso de los edificios de acero de gran altura se sugirió la unión estructural mediante robots, ya que la tecnología de los robots industriales podría adaptarse fácilmente a esta tarea. A menudo, la automatización de la construcción favorece un enfoque dividido: los robots prefabrican automáticamente los elementos del edificio (paredes, techos, celdas de habitaciones, escaleras, etc.) fuera de las fábricas, y los elementos se envían a las obras de construcción, donde la unión estructural se realiza manualmente..
En la robótica de servicio, el uso en la industria de la construcción se centra en la aplicación in situ.
Los robots se dedican a la soldadura de acero, la fabricación de armaduras, la colocación, la distribución de hormigón, la construcción a medida (albañilería), el acabado interior, la logística in situ y la explotación de fachadas. Para las tareas de construcción general o civil, cada vez se consideran más los dispositivos robóticos radiocontrolados o parcialmente autónomos. Además, algunos de estos tipos de dispositivos se comparten con la industria minera.
Equipo de movimiento de tierras
Fujita Corporation, una empresa de construcción con sede en Tokio, desarrolló el sistema de teletrabajo no tripulado a mediados de la década de 1990. Se utilizaron máquinas de construcción teledirigidas incorporando a los vehículos de construcción sistemas de comunicación inalámbricos disponibles en el mercado. El sistema comprendía un conjunto de componentes que pueden instalarse rápidamente en la mayoría de las retroexcavadoras convencionales para permitir el funcionamiento sin personal. Este sistema, junto con la instalación de cámaras de vigilancia y sistemas de comunicación de imágenes inalámbricos en las máquinas de construcción y en varios lugares de la obra, permitió a los operadores controlar estos vehículos desde las salas de control sin necesidad de ver la maquinaria directamente. La distancia máxima entre las salas de control y las obras es de unos 2 km. Se ha informado de que el método no tripulado de Fujita’se ha utilizado para la construcción de una serie de presas de control en el monte Fugen (Japón). Una de las motivaciones para utilizar el método de construcción teleoperado fue la protección de los trabajadores frente a desastres o riesgos en las proximidades de los emplazamientos de volcanes activos.
En septiembre de 2019, la start-up Built Robotics recaudó 33 millones de dólares para su pila de autonomía que convierte los vehículos de construcción en robots autónomos. La tecnología principal consiste en reequipar los vehículos de construcción existentes con diferentes tipos de sensores y equipos de actores y orquestar esos robots en flotas autónomas, que pueden ser operadas de forma remota mediante la carga de métricas de planos en maquinaria pesada como topadoras y excavadoras.
Perforación y percusión
La perforación debe realizarse por diversos motivos, por ejemplo, cuando se instalan cables telefónicos o eléctricos bajo los cauces de los ríos, etc. Para conseguirlo, hay que remover la superficie a lo largo del recorrido. Un ejemplo de empresa es nLink, de Noruega, fundada en 2012, que utiliza brazos robóticos industriales para perforar en obras de construcción. Desde entonces, nLink ha recibido varios premios por su robot de perforación de techos. El preciso proceso de perforación se controla y guía mediante una app y un láser.
El método de perforación sin zanja primero perfora a lo largo de una ruta predefinida y luego lava y ensancha el túnel con un escariador. Cuando la cavidad tiene el tamaño adecuado, se introduce el tubo de gas o de agua del producto, por ejemplo. A veces, este tipo de perforación sin zanja, llamada “microtunelación” puede utilizarse en cruces de hasta 2.000 m de longitud y 300 m de profundidad con un diámetro inferior a 1,50 m. Este método es respetuoso con el medio ambiente, ya que daña menos las raíces de los árboles y otros objetos subterráneos. También hay menos polvo, suciedad y ruido, y requiere un 20% menos de espacio operativo. Es rentable, ya que es más rápido y no es necesario cerrar las calles u otras instalaciones cercanas. Aunque se necesitan menos trabajadores, éstos deben estar bien formados, ya que los robots requieren más conocimientos operativos que las máquinas convencionales. Al igual que en la construcción de carreteras, el ámbito de aplicación de los robots de perforación está más o menos limitado a las nuevas perforaciones, ya que las reparaciones y otras tareas de mantenimiento en las tuberías suelen requerir una apertura completa.
Tracto-Technik fabrica un robot de perforación sin zanja. El uso de tecnologías robóticas en estas máquinas de perforación proporciona una mejor maniobrabilidad y capacidad de movimiento.
La integración de técnicas de percepción, localización y mapeo permite realizar movimientos precisos. Otros fabricantes de tecnologías similares también están atendiendo a este curioso mercado. Los grandes usuarios de esta tecnología incluso han sacado sus productos y diseños, como el Acemole de NTT.
Las tuneladoras pesadas, producidas por Casagrande s.p.a., constan de una oruga con dos brazos robóticos accionados hidráulicamente para soportar el gran raíl que guía el mecanismo de perforación.
El control de esta cadena cinemática espacial cerrada aumenta considerablemente la precisión y la rentabilidad de la tunelización.
Tanto el diseño cinemático como el control del robot permiten procedimientos de posicionamiento rápidos y una mayor precisión de posicionamiento de menos de 1 cm. La perforación automatizada en alta mar se convirtió en el centro de atención de las empresas petroleras tras el desastre del Golfo de México en la primavera de 2010. La empresa noruega Nabors Industries ha desarrollado una nueva plataforma de exploración más segura. Está controlada por sofisticados robots inteligentes que se controlan mediante un software proporcionado por Energid Technologies Corporation.
Según se informa, la plataforma consta de un diseño patentado encapsulado y con compensación de presión que garantiza una solución respetuosa con el medio ambiente, con cero vertidos al mar y con las mismas barreras de seguridad que las perforaciones convencionales. El control a distancia desde una interfaz interactiva en 3D permite el funcionamiento sin tripulación.
En 2018, la empresa productora de ascensores Schindler AG inició un proyecto con un robot convencional de 6 grados de libertad de ABB para la perforación autónoma en los huecos de los ascensores. Schindler AG y el Consejo de Edificios Altos y Hábitat Urbano (CTBUH) iniciaron una colaboración centrada en la investigación de la robótica de la construcción.
Otra ventaja de la automatización en las aplicaciones de construcción, en general, es la de evitar errores. Especialmente en los proyectos de mayor envergadura, los fallos pueden causar inmensos daños económicos. Por ello, los robots móviles están equipados con impresoras que marcan el suelo existente con indicaciones y trazados para los trabajadores manuales. No sólo para la preparación del trabajo, sino también para la supervisión del proceso, los robots móviles se utilizan en la construcción in situ; por ejemplo, la empresa emergente Scaled Robotics equipa a los robots móviles con sensores para crear mapas en 3D para detectar errores y verificar el proceso de construcción.
Strabag, una empresa constructora austriaca, ha empezado a utilizar los robots cuadrúpedos Spot de Boston Dynamics para la documentación de sus obras. Están equipados con diferentes tipos de sensores para generar mapas en 3D, por ejemplo, en las obras de la estación de tren de Stuttgart (Alemania).
Nivel de distribución
Durante el primer boom de la robótica, en los años 80 y 90, se invirtieron grandes sumas, sobre todo en Japón, en el desarrollo de robots que pudieran solucionar la escasez de mano de obra en la construcción y aumentar la calidad. Sin embargo, esta euforia se desvaneció tan pronto como la automatización en la construcción afectó a cualquier aspecto de los materiales, procesos, logística y operaciones de la construcción. En lugar de una revolución en la construcción, se ha iniciado una evolución mucho más lenta, centrada en el desarrollo de equipos especializados para aplicaciones específicas de alto rendimiento, como la excavación de túneles, el transporte en la obra (por ejemplo, las cargadoras de ruedas) y los sistemas de transferencia de materiales para el uso local de grúas semiautomáticas.
Taisei Corporation (Japón) ha informado sobre el desarrollo de un robot para la eliminación del amianto en los huecos de los ascensores por encargo de la Organización para el Desarrollo de la Nueva Energía y la Tecnología Industrial (NEDO, Japón). Los dispositivos robóticos controlados a distancia retiran y recogen el amianto pulverizado en seco que se utiliza en vigas, techos, columnas y paredes de los edificios. El sistema permite que un operario situado en una sala aparte controle a distancia un robot mediante un monitor de vídeo para retirar y recoger el amianto pulverizado rociando agua mezclada con abrasivos y polímero superabsorbente desde una boquilla fijada al extremo del brazo del robot. Los primeros experimentos se llevaron a cabo en la demolición de un almacén en Tokio en octubre de 2007..
También se ha utilizado un robot de retirada de amianto teleoperado para eliminar la capa de estuco infestada de amianto en las fachadas de los edificios. Se afirmó que el coste y el tiempo de utilización del robot eran aproximadamente los mismos que los de un proceso totalmente manual, aunque la eliminación manual sigue siendo necesaria en las partes superiores e inferiores de las fachadas a las que el robot no puede acceder. En el proyecto financiado por la UE bots2rec, que finalizó en noviembre de 2019, la retirada automatizada de amianto fue el tema principal de la investigación, ya que todavía no es el estado de la técnica
La start-up austriaca Baubot es una de las primeras empresas que desarrollan un robot polivalente para tareas de construcción. El robot móvil puede concretar la impresión 3D, la manipulación de materiales, la soldadura, el fresado, la pintura y varias cuestiones más.
Se han presentado prototipos de apisonadoras y pavimentadoras robotizadas, pero en la actualidad sólo hay unos pocos productos disponibles en el mercado. Un primer desarrollo, sugerido en la década de 1990, el robot de carreteras de Voegele (ahora parte del Grupo Wirtgen, Alemania) navegaba automáticamente sin necesidad de ser guiado por los trabajadores. Combinaba las tareas de varias máquinas convencionales de modo que, en lugar de realizar varios pasos y fases de trabajo consecutivos, el robot producía inmediatamente el pavimento final. Hasta ahora, el sistema robótico no se había comercializado.
Se han diseñado y evaluado otros diseños robóticos para el mantenimiento de carreteras como prototipos:
Los marcadores inteligentes de seguridad en las carreteras podrían sustituir la base tradicional de los barriles de seguridad estándar de color naranja y blanco por un robot móvil. Los robots de los barriles pueden autodesplegarse y autorrecuperarse, eliminando a los trabajadores de esta peligrosa tarea.
Los componentes centrales de estas máquinas de construcción móviles son los módulos de navegación en 2D o 3D, que pueden interconectarse con dispositivos específicos.
Grúas y plumas robóticas
La empresa de robótica Brokk ofrece diferentes tipos de robots para aplicaciones de construcción. Con el Brokk 900R, la empresa proporciona una pluma robótica que puede ser teleoperada y está equipada con un manipulador de un brazo y diferentes herramientas.
Un ejemplo de grúa o pluma controlada por ordenador lo comercializa Putzmeister Concrete Pumps (ahora parte de Sany, China) desde 2001. Sus plumas móviles de hormigón pueden equiparse con un control por ordenador (Ergonic 2.0) para guiar y programar eficazmente una cadena cinemática redundante accionada hidráulicamente (el brazo multiarticulado). Se ha informado de que la eficacia del tiempo, la reducción de los daños y la calidad del suministro de hormigón han mejorado drásticamente, por lo que se puede obtener un muy buen rendimiento de las inversiones. El controlador es una derivación del sistema de limpieza de aviones SkyWash.
Manipuladores robóticos para albañilería y fabricación
La Meyco ME5 Logica, ahora Epiroc (Suecia), se basa en los principios cinemáticos de las bombas de hormigón proyectado existentes (hormigón que se proyecta sobre superficies). Un sensor de escáner láser mide la geometría de la dirección y esta información se utiliza para controlar automáticamente la distancia de separación y el ángulo del chorro de pulverización.
Los robots de albañilería en obras de construcción aún no han salido de la fase de prototipo. Sin embargo, los robots industriales convencionales se aplican en la prefabricación de muros de ladrillo y otras artes, como en la solución de Construction Robotics.
Los esfuerzos por utilizar robots para producir formas arquitectónicas sorprendentes han recibido un importante reconocimiento recientemente. Alojada en un contenedor de carga modificado, la unidad de fabricación móvil robotizada puede utilizarse en cualquier lugar. Combina las ventajas de la prefabricación -precisión y alta calidad- con el beneficio de las rutas de transporte cortas y la producción justo a tiempo en la obra. Un equipo de ingenieros australianos ha introducido un diseño diferente, que utiliza brazos paralelos. El prototipo “Hadrian” es supuestamente capaz de colocar 1.000 ladrillos por hora. En 2019 se presentó el nuevo prototipo Hadrian X.
Con 200 bloques por hora, Fastbrick Robotics aumentó el rendimiento del prototipo y dio un paso adelante hacia la comercialización. En octubre de 2020, la primera casa de dos pisos fue construida por Hadrian X.
La empresa japonesa Aist está trabajando en un robot autónomo que puede realizar todo el proceso de montaje de tableros en las paredes. A diferencia de la mayoría de los robots y sistemas de asistencia en la construcción automatizada, el HRP-5P está diseñado como un robot humanoide con locomoción por las piernas y dos brazos para agarrar, transportar y montar tableros. Con la digitalización en auge, la robótica se considera cada vez más un elemento que permite realizar diseños arquitectónicos sorprendentes inspirados en nuevos materiales, estructuras biónicas y nuevos procesos de fabricación que permiten construir estructuras complejas de forma única y, a veces, aditiva..
Algunos ejemplos son:
- Una estructura segmentada en forma de caparazón basada en la anatomía de un robot erizo de mar, que está cosida con componentes de madera contrachapada de haya moldeada. Otro ejemplo es un pabellón en forma de red basado en el caparazón ligero de un escarabajo (Universidad de Stuttgart).
- Un puente de acero impreso en 3D que crea una estructura de carga que soporta el peso del robot mientras trabaja.
- La DFAB House es la primera casa del mundo que se ha diseñado, planificado y construido mediante procesos predominantemente digitales.
- Una flota de drones fue programada para levantar y apilar miles de ladrillos de poliestireno, creando una serie de torres en el Centro FRAC de Orléans, Francia.
Sin embargo, las actividades de automatización de la construcción y la difusión de robots de construcción reales para aumentar la productividad de los trabajadores han sido menores de lo previsto, en parte debido a la aversión del sector a los riesgos asociados a la introducción de nuevas tecnologías, especialmente los robots. Además, a diferencia de sus homólogos en el sector manufacturero, las obras de construcción son en su mayor parte desestructuradas, desordenadas y congestionadas, lo que las convierte en entornos difíciles para el funcionamiento de los robots. Aunque algunos robots con inteligencia limitada se están abriendo paso poco a poco en las obras, otros siguen siendo prototipos a escala.
En la ingeniería pesada y civil existe un gran potencial para la robótica y la automatización, debido a las condiciones de peligro. Los primeros productos para equipos de movimiento de tierras están, por ejemplo, disponibles en CAT en cuatro niveles diferentes de autonomía que van desde la ejecución de tareas asistidas hasta vehículos totalmente autónomos. Estos vehículos, como los dozers o las excavadoras, llevan varios años funcionando, principalmente en la minería.
Consideraciones de coste-beneficio y retos de marketing
El robot sube el material de forma parcial o totalmente autónoma, lo que hace innecesario el uso de grúas, que requiere mucho tiempo y trabajo. Así, la construcción con robots es hasta un 30% más rápida. No depende de las condiciones meteorológicas, ya que la actividad de construcción se realiza en el interior, lo que también la hace menos sucia y ruidosa..
La arquitectura del edificio debe adaptarse al método de construcción. Hay que colocar cilindros hidráulicos en los cimientos del edificio para que la unidad de transporte se deslice hacia arriba y hacia abajo. Para amortizar los costes de los robots de construcción es imprescindible que haya una demanda suficiente de estos edificios uniformes.
La motivación para utilizar la robótica en la construcción es facilitar las condiciones de trabajo, dotar a los equipos robóticos de datos digitales y de sensores en las obras, aumentar la precisión y estimular la innovación en este sector económicamente enorme en lugar de depender de la mano de obra barata.
En particular, los equipos de construcción no tripulados, semiautomatizados o incluso controlados a distancia, podrían desempeñar un valioso papel en la realización de los trabajos de construcción, haciendo más segura la labor de los trabajadores de la construcción..
Las principales ventajas de la introducción de robots en este ámbito son: - la reducción del trabajo manual y el aumento de la seguridad laboral.