Le champ d'application des robots de construction a débuté dans les années 1980, notamment au Japon, comme un moyen : d'améliorer les conditions de travail des humains et d'augmenter ainsi l'attractivité d'une profession souvent peu appréciée.
De nombreuses applications pour les robots de construction ont été suggérées, telles que :
- Déclassement, démolition et démantèlement de grandes installations (nucléaires)
- Construction de bâtiments
- Construction de routes
- Robots pour la construction lourde/civile (forage, construction de tunnel, terrassement, etc.)
- Opérations de maintenance
Les visions initiales des années 1980 et 1990 se sont avérées trop optimistes, et le domaine de la robotique de construction a progressé de manière beaucoup plus lente et technologiquement moins radicale. De manière générale, les robots de construction ont produit des nombres d'installations de robots nettement inférieurs à ceux initialement prévus.
Cependant, avec l'avènement de la personnalisation, l'adoption rapide des procédés de fabrication additive, les équipements de fabrication en réseau et l'intégration croissante des données, la construction de bâtiments prend de plus en plus d'ampleur dans l'activité industrielle et l'apparence publique..
La plupart des processus de la construction automatisée de bâtiments peuvent être regroupés en plusieurs types prédominants d'opérations fonctionnelles :
- Manutention de matériaux (en vrac et à l'unité)
- Mise en forme des matériaux (couper, briser, compacter, maçonner et usiner, parfois dans le cadre d'une collaboration entre l'ouvrier et le robot).
- Assemblage structurel (montage)
- Prototype de robot à câble pour l'impression 3D du béton
- Planification et suivi
Les robots destinés à la manutention des matériaux comprennent les grues programmables et les robots mobiles, la manutention des panneaux de béton et la pose de briques sur les chantiers de construction. L'assemblage structurel par des robots a été suggéré dans le cas des bâtiments en acier de grande hauteur, car la technologie des robots industriels pourrait être facilement adaptée à cette tâche. Souvent, l'automatisation de la construction privilégie une approche divisée : des robots préfabriquent automatiquement des éléments de construction (murs, plafonds, cellules de pièces, escaliers, etc.) hors site dans des usines, et les éléments sont expédiés sur les chantiers de construction où l'assemblage structurel est effectué manuellement..
Dans le domaine de la robotique de service, l'utilisation dans le secteur de la construction est axée sur l'application sur site.
Les robots sont engagés dans le soudage de l'acier, la fabrication d'armatures, le positionnement, la distribution du béton, la construction sur mesure (maçonnerie), la finition intérieure, la logistique sur site et l'exploitation des façades. Pour les tâches de construction générale ou civile, les dispositifs robotisés radiocommandés ou partiellement autonomes sont de plus en plus envisagés. Certains de ces types de dispositifs sont également partagés avec l'industrie minière..
Matériel de terrassement
Fujita Corporation, une entreprise de construction basée à Tokyo, a développé le "système de télétravail" sans personnel au milieu des années 1990. Des machines de construction télécommandées ont été utilisées en incorporant aux véhicules de construction des systèmes de communication sans fil disponibles dans le commerce. Le système comprenait un ensemble de composants pouvant être installés rapidement sur la plupart des pelles rétrocaveuses conventionnelles pour permettre un fonctionnement sans personnel. Ce système, associé à l'installation de caméras de surveillance et de systèmes de communication d'images sans fil sur les engins de construction et à divers endroits du site, a permis aux opérateurs de contrôler ces véhicules depuis des salles de contrôle sans avoir besoin de voir directement les machines. La distance maximale entre les salles de contrôle et les sites est d'environ 2 km. Il a été signalé que la méthode sans personnel de Fujita avait été utilisée pour la construction d'une série de barrages de retenue au Mont Fugen (Japon). L'une des motivations de l'utilisation de la méthode de construction téléopérée était la protection des travailleurs contre les catastrophes ou les risques à proximité des sites de volcans actifs.
En septembre 2019, la start-up Built Robotics a levé 33 millions USD pour sa pile d'autonomie qui transforme les véhicules de construction en robots autonomes. La technologie de base consiste à équiper les véhicules de construction existants de différents types de capteurs et d'équipements d'acteurs et à orchestrer ces robots en flottes autonomes, qui peuvent être commandées à distance en téléchargeant des métriques de plan dans des machines lourdes comme des bouteurs et des excavateurs.
Perçage et avant-polissage
Le forage doit être réalisé pour diverses raisons, par exemple, lors de l'installation de câbles téléphoniques ou de fils électriques sous le lit des rivières, etc. Pour le réaliser, il faut enlever la surface le long du parcours. Une entreprise exemplaire est la norvégienne nLink, fondée en 2012, qui utilise des bras robotiques industriels pour le forage sur les chantiers de construction. Depuis lors, nLink a reçu plusieurs prix pour son robot de forage au plafond. Le processus de forage précis est contrôlé et guidé par une appli et un laser.
La méthode de forage sans tranchée consiste d'abord à forer le long d'un tracé prédéfini, puis à laver et élargir le tunnel à l'aide d'un alésoir. Lorsque la cavité a la bonne taille, le tube de gaz ou d'eau du produit, par exemple, est inséré à travers. Ce type de forage sans tranchée, appelé "micro-tunnelier", peut parfois être utilisé pour des traversées jusqu'à 2 000 m de long et 300 m de profondeur avec un diamètre inférieur à 1,50 m. Cette méthode est respectueuse de l'environnement car elle endommage moins les racines des arbres et autres objets souterrains. Il y a également moins de poussière, de saleté et de bruit, et elle nécessite 20 % d'espace opérationnel en moins. Elle est rentable car elle est plus rapide, et il n'est pas nécessaire de fermer les rues ou autres installations à proximité. Bien qu'il faille moins de travailleurs, ceux-ci doivent être bien formés, car les robots nécessitent davantage de connaissances opérationnelles que les machines conventionnelles. Tout comme dans la construction de routes, le domaine d'application des robots de forage est plus ou moins limité aux nouveaux forages, car les réparations et autres tâches d'entretien sur les pipelines nécessitent souvent une ouverture complète....
Un robot de forage sans tranchée est produit par Tracto-Technik. L'utilisation de technologies robotiques dans ces machines de forage permet d'améliorer la maniabilité et la capacité à se déplacer..
L'intégration des techniques de perception, de localisation et de cartographie permet des mouvements précis. D'autres fabricants de technologies similaires répondent également à ce curieux marché. De grands utilisateurs de cette technologie ont même créé leurs propres produits et conceptions, comme l'Acemole de NTT..
Les machines de creusement de tunnels à usage intensif, produites par Casagrande s.p.a., se composent d'une chenille avec deux bras robotisés à commande hydraulique pour soutenir le grand rail qui guide le mécanisme de forage..
Le contrôle de cette chaîne cinématique spatiale fermée augmente considérablement la précision et la rentabilité du creusement de tunnels.
La conception cinématique et la commande du robot permettent des procédures de positionnement rapides et une précision de positionnement améliorée de moins de 1 cm. ; Le forage offshore automatisé est devenu le centre d'intérêt des compagnies pétrolières après la catastrophe survenue dans le golfe du Mexique au printemps 2010. Une nouvelle plate-forme d'exploration plus sûre est développée par la société norvégienne Nabors Industries. Elle est contrôlée par des robots intelligents sophistiqués qui sont commandés à l'aide d'un logiciel fourni par Energid Technologies Corporation.
La plate-forme serait constituée d'une conception brevetée encapsulée et compensée en pression qui garantit une solution respectueuse de l'environnement avec zéro rejet en mer et les mêmes barrières de sécurité que pour un forage conventionnel. Le contrôle à distance à partir d'une interface 3D interactive permet un fonctionnement sans personnel.
En 2018, la société productrice d'ascenseurs Schindler AG a lancé un projet utilisant un robot conventionnel à 6 degrés de liberté d'ABB pour le forage autonome dans les cages d'ascenseur. Schindler AG et le Council of Tall Buildings and Urban Habitat (CTBUH) ont lancé un partenariat axé sur la recherche en matière de robotique de construction.
Un autre avantage de l'automatisation dans les applications de construction, en général, est d'éviter les erreurs. En particulier dans les grands projets, les échecs peuvent causer d'immenses dommages financiers. C'est pourquoi les robots mobiles sont équipés d'imprimantes qui marquent le sol existant avec des indications et des tracés pour les travailleurs manuels. Les robots mobiles sont utilisés dans la construction sur site non seulement pour la préparation du travail, mais aussi pour la surveillance du processus. Par exemple, la start-up Scaled Robotics équipe les robots mobiles de capteurs qui créent des cartes en 3D pour détecter les erreurs et vérifier le processus de construction.
Strabag, une entreprise de construction autrichienne, a commencé à utiliser les robots à quatre pattes Spot de Boston Dynamics pour la documentation de ses chantiers. Ils sont équipés de différents types de capteurs pour générer des cartes en 3D, par exemple sur le chantier de la gare ferroviaire de Stuttgart, en Allemagne.
Niveau de distribution
Lors du premier boom de la robotique dans les années 1980 et 1990, des sommes considérables ont été investies, notamment au Japon, dans le développement de robots susceptibles de remédier à la pénurie de main-d'œuvre dans le secteur de la construction tout en améliorant la qualité. Toutefois, cette euphorie est retombée dès que l'automatisation dans le secteur de la construction a touché tous les aspects des matériaux, des processus, de la logistique et des opérations de construction. ; Au lieu d'une révolution dans le secteur de la construction, une évolution beaucoup plus lente a commencé, axée sur le développement d'équipements spécialisés pour des applications spécifiques à haute performance, telles que le creusement de tunnels, le transport sur le site de construction (par exemple, les chargeurs sur roues) et les systèmes de transfert de matériaux pour une utilisation locale de grues semi-automatiques..
Taisei Corporation (Japon) a fait état de la mise au point d'un robot pour le désamiantage des cages d'ascenseur, à la demande de la New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO, Japon). Les dispositifs robotisés télécommandés enlèvent et collectent l'amiante pulvérisé à sec utilisé sur les poutres, les plafonds, les colonnes et les murs des bâtiments. Le système permet à un opérateur situé dans une pièce séparée de commander à distance un robot à l'aide d'un moniteur vidéo pour retirer et collecter l'amiante pulvérisé en pulvérisant de l'eau mélangée à des abrasifs et à un polymère super absorbant à partir d'une buse fixée à l'extrémité du bras du robot. Les premières expériences ont été menées sur le site de démolition d'un entrepôt à Tokyo en octobre 2007..
Un robot de désamiantage téléopéré a également été utilisé pour enlever à l'explosif la couche de stuc infestée d'amiante sur les façades des bâtiments. Il a été affirmé que le coût et le temps d'utilisation du robot étaient à peu près les mêmes qu'avec un processus entièrement manuel, l'enlèvement manuel étant toujours nécessaire sur les parties supérieures et inférieures des façades auxquelles le robot ne peut pas accéder. Dans le projet bots2rec financé par l'UE, qui s'est terminé en novembre 2019, le désamiantage automatisé était le principal sujet de la recherche, car il n'est pas encore à la pointe de la technologie..
La start-up autrichienne Baubot est l'une des premières entreprises à avoir développé un robot polyvalent pour les tâches de construction. Ce robot mobile peut réaliser des travaux concrets d'impression 3D, de manutention, de soudage, de fraisage, de peinture et bien d'autres encore.
Des prototypes de rouleaux compresseurs et de machines à paver robotisés ont été présentés, mais seuls quelques produits sont aujourd'hui disponibles dans le commerce. Un premier développement, proposé dans les années 1990, le robot routier de Voegele (qui fait maintenant partie du Wirtgen Group, en Allemagne) naviguait automatiquement sans avoir besoin d'être guidé par des ouvriers. Il combinait les tâches de plusieurs machines conventionnelles de sorte que, au lieu de s'engager dans plusieurs étapes et phases de travail consécutives, le robot produisait immédiatement le revêtement final. Jusqu'à présent, le système robotisé n'a pas été commercialisé.
D'autres modèles de robots pour l'entretien des routes ont été conçus et évalués en tant que prototypes.:
Les balises intelligentes de sécurité routière pourraient remplacer la base traditionnelle des barils de sécurité orange et blancs par un robot mobile. Les robots barils peuvent alors se déployer et se récupérer eux-mêmes, ce qui libère les travailleurs de cette tâche dangereuse..
Les composants centraux de ces machines de construction mobiles sont des modules de navigation 2D ou 3D, qui peuvent être interfacés avec des appareils spécifiques.
Grues et flèches robotisées
La société Brokk propose différents types de robots pour les applications de construction. Avec le Brokk 900R, la société propose une flèche robotique qui peut être téléopérée et qui est équipée d'un manipulateur à un bras et de différents outils..
Un exemple de grue ou de flèche contrôlée par ordinateur est commercialisé par Putzmeister Concrete Pumps (qui fait maintenant partie de Sany, en Chine) depuis 2001. Leurs flèches à béton mobiles peuvent être équipées d'une commande par ordinateur (Ergonic 2.0) pour guider et programmer efficacement une chaîne cinématique redondante actionnée hydrauliquement (le bras à articulations multiples). Il est rapporté que l'efficacité temporelle, la réduction des dommages et la qualité de la livraison du béton ont été considérablement améliorées, ce qui permet d'obtenir un très bon retour sur investissement. Le contrôleur est un dérivé du système de nettoyage d'avions SkyWash.
Manipulateurs robotiques pour la maçonnerie et la fabrication de produits en bois
La Meyco ME5 Logica, aujourd'hui Epiroc (Suède), est basée sur les principes cinématiques des pompes à béton projeté existantes (béton projeté sur des surfaces). Un capteur à scanner laser mesure la géométrie de la trajectoire et cette information est ensuite utilisée pour contrôler automatiquement la distance d'écartement et l'angle du jet de pulvérisation..
Les robots de maçonnerie sur les chantiers de construction n'ont pas encore quitté le stade du prototype. Toutefois, les robots industriels conventionnels sont appliqués à la préfabrication de murs en briques et autres arts, comme dans la solution de Construction Robotics.
Les efforts visant à utiliser des robots pour produire des formes architecturales surprenantes ont reçu une reconnaissance importante ces derniers temps. Logée dans un conteneur de marchandises modifié, l'unité de fabrication mobile robotisée peut être utilisée partout. Elle combine les avantages de la préfabrication - précision et qualité élevée et constante - avec les avantages des trajets courts et de la production en flux tendu sur le chantier. Une équipe d'ingénieurs australiens a présenté une conception différente, utilisant des bras parallèles. Le prototype "Hadrian" serait capable de poser 1 000 briques par heure. En 2019, le nouveau prototype "Hadrian X" a été présenté.
Avec 200 blocs par heure, Fastbrick Robotics a augmenté les performances du prototype et a fait un pas en avant vers la commercialisation. En octobre 2020, la première maison à deux étages a été construite par Hadrian X.
La société japonaise Aist travaille sur un robot autonome capable d'effectuer l'ensemble du processus de montage des panneaux sur les murs. Contrairement à la plupart des robots et des systèmes d'assistance dans le domaine de la construction automatisée, le HRP-5P est conçu comme un robot humanoïde doté d'une locomotion sur pattes et de deux bras pour saisir, transporter et monter les panneaux. Avec l'essor de la numérisation, la robotique est de plus en plus considérée comme un outil permettant de réaliser des conceptions architecturales surprenantes, inspirées par de nouveaux matériaux, des structures bioniques et de nouveaux processus de fabrication permettant la construction unique, parfois additive, de structures complexes..
En voici quelques exemples :
- Une structure segmentée en forme de coquille, basée sur l'anatomie d'un robot oursin, qui est cousue ensemble à partir de composants en contreplaqué de hêtre moulé. Un autre exemple est un pavillon en forme de toile basé sur la carapace légère d'un scarabée (Université de Stuttgart)..
- Un pont en acier imprimé en 3D crée une structure porteuse qui supporte le poids du robot pendant son travail.
- La DFAB House est la première maison au monde à être conçue, planifiée et construite à l'aide de processus essentiellement numériques.
- Une flotte de drones a été programmée pour soulever et empiler des milliers de briques en polystyrène, créant ainsi une série de tours au Centre FRAC d'Orléans, en France..
Cependant, les activités d'automatisation de la construction et la diffusion de robots de construction réels permettant d'augmenter la productivité des travailleurs ont été plus faibles que prévu, en partie à cause de l'aversion du secteur pour les risques associés à l'introduction de nouvelles technologies, en particulier les robots. En outre, contrairement à leurs homologues de l'industrie manufacturière, les sites de construction sont pour la plupart non structurés, encombrés et congestionnés, ce qui en fait des environnements difficiles pour les robots. Si certains robots dotés d'une intelligence limitée font peu à peu leur apparition sur les chantiers de construction, d'autres restent des prototypes à échelle réduite.
Dans le domaine du génie lourd et civil, il existe un grand potentiel pour la robotique et l'automatisation, en raison des conditions dangereuses. Les premiers produits pour les engins de terrassement sont, par exemple, disponibles chez CAT dans quatre niveaux d'autonomie différents allant de l'exécution de tâches d'assistance aux véhicules entièrement autonomes. Ces véhicules, comme les bouteurs ou les excavatrices, sont utilisés depuis plusieurs années, principalement dans le secteur minier.
Considérations sur les coûts et avantages et défis marketing
Le robot monte le matériel de manière partiellement ou entièrement autonome, ce qui rend superflue l'utilisation de grues, qui exige beaucoup de temps et de main-d'œuvre. La construction robotisée est donc jusqu'à 30 % plus rapide. Elle n'est pas tributaire des conditions météorologiques, car l'activité de construction se déroule à l'intérieur, ce qui la rend également moins sale et moins bruyante.
L'architecture du bâtiment doit être adaptée à la méthode de construction. Des vérins hydrauliques doivent être placés dans les fondations du bâtiment pour permettre à l'unité de transport de monter et descendre. Une demande suffisante pour ces bâtiments uniformes est essentielle pour amortir les coûts des robots de construction.
La motivation de l'utilisation de la robotique dans la construction est de faciliter les conditions de travail, de fournir aux équipements robotiques des données numériques et des capteurs sur les sites de construction, d'accroître la précision et de stimuler l'innovation dans ce secteur économiquement énorme au lieu de compter sur une main-d'œuvre bon marché..
En particulier, les équipements de construction sans pilote semi-automatisés, voire télécommandés, pourraient jouer un rôle précieux dans l'exécution des travaux de construction, en sécurisant les travailleurs de la construction..
Les principaux avantages de l'introduction de robots dans ce domaine sont les suivants : - la réduction du travail manuel et l'augmentation de la sécurité du travail..