Il campo di applicazione dei robot di costruzione è stato iniziato negli anni '80, soprattutto in Giappone, come un modo: migliorare le condizioni di lavoro umane e quindi aumentare l'attrattiva di una professione che spesso non è troppo apprezzata.
Sono state suggerite numerose applicazioni per i robot da costruzione, come ad esempio:
- (Nucleare) disattivazione, demolizione e smantellamento di grandi impianti
- Costruzione di edifici
- Costruzione di strade
- Robot per l'edilizia pesante/civile (perforazione, costruzione di tunnel, movimento terra, ecc.)
- Operazioni di manutenzione
Le visioni iniziali degli anni '80 e '90 si sono rivelate troppo ottimistiche, e il campo della robotica delle costruzioni è avanzato in modo molto più lento e tecnologicamente meno radicale. In generale, i robot da costruzione hanno prodotto un numero di installazioni di robot significativamente inferiore a quello inizialmente previsto.
Tuttavia, con l'avvento della personalizzazione, la rapida adozione dei processi di produzione additiva, le attrezzature di produzione in rete e la crescente integrazione dei dati, la costruzione di edifici sta sempre più prendendo piede nell'attività industriale e nell'aspetto pubblico.
La maggior parte dei processi nella costruzione automatizzata di edifici può essere raggruppata in diversi tipi predominanti di operazioni funzionali:
- Movimentazione di materiali (alla rinfusa e per unità di carico)
- Modellazione dei materiali (taglio, rottura, compattazione, muratura e lavorazione, a volte in una collaborazione tra lavoratore e robot
- Giunzione strutturale (assemblaggio)
- Prototipo di robot a cavo per la stampa 3D del calcestruzzo
- Pianificazione e monitoraggio
I robot per la movimentazione dei materiali includono gru programmabili e robot mobili, la movimentazione di pannelli di cemento e la posa di mattoni nei cantieri. La giunzione strutturale da parte dei robot è stata suggerita nel caso dei grattacieli in acciaio, poiché la tecnologia dei robot industriali potrebbe essere facilmente adattata a questo compito. Spesso, l'automazione delle costruzioni favorisce un approccio diviso: i robot prefabbricano automaticamente gli elementi dell'edificio (pareti, soffitti, celle di stanze, scale, ecc.) fuori sede nelle fabbriche, e gli elementi vengono spediti ai cantieri dove la giunzione strutturale viene eseguita manualmente.
Nella robotica di servizio, il fulcro dell'uso nell'industria delle costruzioni è l'applicazione in loco.
I robot sono impegnati nella saldatura dell'acciaio, nella produzione di armature, nel posizionamento, nella distribuzione del calcestruzzo, nella costruzione su misura (muratura), nella finitura degli interni, nella logistica in loco e nella gestione delle facciate. Per i compiti di costruzione generale o civile, i dispositivi robotici radiocomandati o parzialmente autonomi sono sempre più considerati. Inoltre, alcuni di questi tipi di dispositivi sono condivisi con l'industria mineraria.
Attrezzatura per il movimento terra
Fujita Corporation, una società di costruzioni con sede a Tokyo, ha sviluppato il “Tele-Earthwork System” senza equipaggio a metà degli anni '90. Le macchine da costruzione telecomandate sono state utilizzate incorporando sistemi di comunicazione wireless disponibili in commercio nei veicoli da costruzione. Il sistema comprendeva una serie di componenti che possono essere installati rapidamente sulla maggior parte delle terne convenzionali per consentire il funzionamento senza equipaggio. Insieme all'installazione di telecamere di monitoraggio e di sistemi di comunicazione di immagini senza fili sulle macchine da costruzione e in vari punti del sito, ha permesso agli operatori di controllare questi veicoli dalle sale di controllo senza bisogno di vedere direttamente i macchinari. La distanza massima tra le sale di controllo e i cantieri è di circa 2 km. È stato riportato che il metodo non presidiato di Fujita’è stato utilizzato per la costruzione di una serie di dighe di controllo sul Monte Fugen (Giappone). Una delle motivazioni per utilizzare il metodo di costruzione teleguidato era la protezione dei lavoratori da disastri o rischi nelle vicinanze di siti di vulcani attivi.
Nel settembre 2019, la start-up Built Robotics ha raccolto USD 33m per il suo stack di autonomia che trasforma i veicoli da costruzione in robot autonomi. La tecnologia di base è quella di retrofittare i veicoli da costruzione esistenti con diversi tipi di sensori e attrezzature attoriali e orchestrare quei robot in flotte autonome, che possono essere gestite a distanza caricando metriche di blueprint in macchinari pesanti come dozer ed escavatori.
Perforazione e fore poling
La perforazione deve essere fatta per vari motivi, per esempio, quando si installano cavi telefonici o fili elettrici sotto il letto di un fiume, ecc. Per realizzarlo, la superficie deve essere rimossa lungo il percorso. Un esempio di azienda è la norvegese nLink, fondata nel 2012, che utilizza bracci robotici industriali per la perforazione nei cantieri. Da allora, nLink ha ricevuto diversi premi per il suo robot di perforazione a soffitto. Il preciso processo di perforazione è controllato e guidato da un'app e da un laser.
Il metodo di perforazione trenchless prima perfora lungo un percorso predefinito e poi lava e allarga il tunnel con un alesatore. Quando la cavità ha le dimensioni giuste, il tubo del gas o dell'acqua, per esempio, viene inserito attraverso. A volte tale perforazione senza scavo chiamata “microtunneling” può essere usata su attraversamenti fino a 2.000m di lunghezza e 300m di profondità con un diametro inferiore a 1,50m. Questo metodo è rispettoso dell'ambiente in quanto vi sono meno danni alle radici degli alberi e ad altri oggetti sotterranei. C'è anche meno polvere, sporcizia, rumore, e richiede il 20% in meno di spazio operativo. È conveniente perché è più veloce, e non è necessario chiudere strade o altre strutture vicine. Anche se sono necessari meno lavoratori, questi devono essere ben addestrati, poiché i robot richiedono più conoscenze operative delle macchine convenzionali. Proprio come nella costruzione di strade, l'area di applicazione dei robot di perforazione è più o meno limitata alle nuove perforazioni, poiché le riparazioni e altri compiti di manutenzione sulle condutture spesso richiedono un'apertura completa.
Un robot di perforazione senza scavo è prodotto da Tracto-Technik. L'uso di tecnologie robotiche in queste macchine di perforazione fornisce una migliore manovrabilità e la capacità di muoversi.
L'integrazione di tecniche di percezione, localizzazione e mappatura permette movimenti precisi. Anche altri produttori di tecnologie simili si rivolgono a questo curioso mercato. I grandi utilizzatori di questa tecnologia hanno persino presentato i loro prodotti e design, come l'Acemole di NTT.
Le macchine per lo scavo di gallerie pesanti, prodotte da Casagrande s.p.a., sono costituite da un cingolo con due bracci robotici azionati idraulicamente per sostenere la grande rotaia che guida il meccanismo di perforazione.
Il controllo di questa catena cinematica spaziale chiusa aumenta significativamente la precisione e l'economicità del tunneling.
Sia il design cinematico del robot che il controllo supportano procedure di posizionamento veloci e una migliore precisione di posizionamento inferiore a 1cm. La perforazione offshore automatizzata è diventata il centro dell'attenzione delle compagnie petrolifere dopo il disastro nel Golfo del Messico nella primavera del 2010. Un nuovo impianto di esplorazione più sicuro è stato sviluppato dalla società norvegese Nabors Industries. È controllata da sofisticati robot intelligenti che sono controllati utilizzando il software fornito da Energid Technologies Corporation.
Si dice che la piattaforma consista in un design brevettato incapsulato e compensato a pressione che assicura una soluzione ecologica con zero scarichi in mare e le stesse barriere di sicurezza della perforazione convenzionale. Il controllo a distanza da un'interfaccia 3D interattiva permette il funzionamento senza equipaggio.
Nel 2018, l'azienda produttrice di ascensori Schindler AG ha iniziato un progetto utilizzando un robot convenzionale a 6 gradi di libertà di ABB per la perforazione autonoma nei pozzi degli ascensori. Schindler AG e il Council of Tall Buildings and Urban Habitat (CTBUH) hanno iniziato una partnership incentrata sulla ricerca della robotica delle costruzioni.
Un altro vantaggio dell'automazione nelle applicazioni di costruzione, in generale, è l'evitare gli errori. Soprattutto nei progetti più grandi, i fallimenti possono causare immensi danni finanziari. Pertanto, i robot mobili sono dotati di stampanti che segnano il pavimento esistente con suggerimenti e layout per i lavoratori manuali. Non solo per la preparazione del lavoro, ma anche per il monitoraggio del processo, i robot mobili sono utilizzati nella costruzione in loco; per esempio, la start-up Scaled Robotics equipaggia i robot mobili con sensori per creare mappe 3D per rilevare gli errori e verificare il processo di costruzione.
Strabag, un'impresa di costruzioni austriaca, ha iniziato a usare i robot a quattro zampe Spot della Boston Dynamics per la documentazione dei loro cantieri. Sono dotati di diversi tipi di sensori per generare mappe 3D, per esempio, nel cantiere della stazione ferroviaria di Stoccarda, in Germania.
Livello di distribuzione
Durante il primo boom della robotica negli anni '80 e '90, sono state investite grandi somme, in particolare in Giappone, nello sviluppo di robot che potessero affrontare la carenza di manodopera edile aumentando la qualità. Tuttavia, questa euforia è svanita non appena l'automazione nell'edilizia ha interessato qualsiasi aspetto dei materiali da costruzione, dei processi, della logistica e delle operazioni. Invece di una rivoluzione nell'edilizia, è iniziata un'evoluzione molto più lenta, incentrata sullo sviluppo di attrezzature specializzate per applicazioni specifiche ad alte prestazioni, come il tunneling, il trasporto in cantiere (per esempio, le pale gommate) e i sistemi di trasferimento dei materiali per l'uso locale di gru semi-automatiche.
Taisei Corporation (Giappone) ha riportato lo sviluppo di un robot per la rimozione dell'amianto dai pozzi degli ascensori commissionato dalla New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO, Giappone). I dispositivi robotici controllati a distanza rimuovono e raccolgono l'amianto spruzzato a secco usato su travi, soffitti, colonne e pareti di edifici. Il sistema permette ad un operatore in una stanza separata di controllare a distanza un robot usando un monitor video per rimuovere e raccogliere l'amianto spruzzato spruzzando acqua mista ad abrasivi e polimeri super-assorbenti da un ugello attaccato all'estremità del braccio del robot. I primi esperimenti sono stati condotti in un sito di demolizione di un magazzino a Tokyo nell'ottobre 2007.
Un robot teleoperato per la rimozione dell'amianto è stato usato anche per rimuovere lo strato di stucco infestato dall'amianto sulle facciate degli edifici. È stato affermato che il costo e il tempo di utilizzo del robot erano circa gli stessi di un processo interamente manuale, anche se la rimozione manuale è ancora necessaria sulle parti superiori e inferiori delle facciate a cui il robot non può accedere. Nel progetto finanziato dall'UE bots2rec, che si è concluso nel novembre 2019, la rimozione automatizzata dell'amianto è stata l'oggetto principale della ricerca poiché non è ancora allo stato dell'arte.
La start-up austriaca Baubot è una delle prime aziende che sviluppano un robot multiuso per compiti di costruzione. Il robot mobile può concretizzare la stampa 3D, la manipolazione dei materiali, la saldatura, la fresatura, la pittura e molti altri problemi.
Sono stati introdotti prototipi di rulli stradali robotizzati e macchine per la pavimentazione, ma solo pochi prodotti sono ora disponibili in commercio. Un primo sviluppo, suggerito negli anni '90, il robot stradale della Voegele (ora parte del Wirtgen Group, Germania) navigava automaticamente senza bisogno di guida da parte dei lavoratori. Combinava i compiti di diverse macchine convenzionali in modo che, invece di impegnarsi in diversi passi e fasi di lavoro consecutive, il robot produceva immediatamente la pavimentazione finale. Finora, il sistema robotico non è stato commercializzato.
Altri progetti robotici per la manutenzione stradale sono stati progettati e valutati come prototipi:
I marcatori di sicurezza autostradali intelligenti possono sostituire la base tradizionale dei barili di sicurezza arancioni e bianchi standard con un robot mobile. I robot del barile possono quindi auto-dispiegarsi e auto-ritirarsi, rimuovendo i lavoratori da questo compito pericoloso..
I componenti centrali di queste macchine edili mobili sono moduli di navigazione 2D o 3D, che possono essere interfacciati con dispositivi specifici.
Gru e bracci robotici
A società di robot Brokk offre diversi tipi di robot in applicazioni di costruzione. Con il Brokk 900R, l'azienda fornisce un braccio robotico che può essere teleoperato ed è dotato di un manipolatore a un braccio e diversi strumenti.
Un esempio di gru o braccio controllato dal computer è stato commercializzato da Putzmeister Concrete Pumps (ora parte di Sany, Cina) dal 2001. I loro bracci mobili per calcestruzzo possono essere equipaggiati con un controllo computerizzato (Ergonic 2.0) per guidare e programmare in modo efficiente una catena cinematica ridondante alimentata idraulicamente (il braccio multigiunto). È stato riferito che l'efficacia del tempo, la riduzione dei danni e la qualità della consegna del calcestruzzo sono stati migliorati drasticamente in modo da ottenere un ottimo ritorno sugli investimenti. Il controllore è uno spin-off del sistema di pulizia degli aerei SkyWash.
Manipolatori robotici per la costruzione di mattoni e la fabbricazione
La Meyco ME5 Logica, ora Epiroc (Svezia) si basa sui principi cinematici delle pompe per calcestruzzo a proiezione esistenti (calcestruzzo spruzzato sulle superfici). Un sensore laser scanner misura la geometria della direzione e queste informazioni sono poi utilizzate per controllare automaticamente la distanza di sicurezza e l'angolo del getto di spruzzatura.
I robot di muratura nei cantieri non hanno ancora lasciato lo stadio di prototipo. Tuttavia, i robot industriali convenzionali sono applicati nella prefabbricazione di muri di mattoni e altre arti, come nella soluzione di Construction Robotics.
Gli sforzi per utilizzare i robot per produrre forme architettoniche sorprendenti hanno ricevuto un riconoscimento recente significativo. Alloggiata in un container modificato, l'unità mobile di fabbricazione dei robot può essere usata ovunque. Combina i vantaggi della prefabbricazione - precisione e qualità costantemente elevata - con il vantaggio di brevi percorsi di trasporto e produzione just-in-time in cantiere. Un design diverso, che fa uso di braccia parallele, è stato introdotto da un team di ingegneri australiani. Si dice che il prototipo "Hadrian" sia in grado di impostare 1.000 mattoni all'ora. Nel 2019 è stato presentato il nuovo prototipo Hadrian X.
Con 200 blocchi all'ora, Fastbrick Robotics ha aumentato le prestazioni del prototipo e ha fatto un passo avanti verso la commercializzazione. Nell'ottobre 2020, la prima casa a due blocchi è stata costruita da Hadrian X.
L'azienda giapponese Aist sta lavorando su un robot autonomo che può eseguire l'intero processo di montaggio delle tavole sui muri. A differenza della maggior parte dei robot e dei sistemi di assistenza nella costruzione automatizzata, l'HRP-5P è progettato come un robot umanoide con locomozione a gambe e due braccia per afferrare, trasportare e montare le tavole. Con la digitalizzazione in aumento, la robotica è sempre più vista come un abilitatore per progetti architettonici sorprendenti che sono ispirati da nuovi materiali, strutture bioniche e nuovi processi di produzione che permettono una costruzione unica, a volte additiva, di strutture complesse.
Gli esempi sono:
- Una struttura segmentata simile a un guscio basata sull'anatomia di un robot riccio di mare, che è cucita insieme con componenti di compensato di faggio modellato. Un altro esempio è un padiglione simile a una rete basato sul guscio leggero di un coleottero (Università di Stoccarda).
- Un ponte d'acciaio stampato in 3D che crea una struttura portante che sostiene il peso del robot mentre lavora.
- La DFAB House è la prima casa al mondo ad essere disegnata, progettata e costruita con processi prevalentemente digitali.
- Una flotta di droni è stata programmata per sollevare e impilare migliaia di mattoni di polistirolo, creando una serie di torri al Centro FRAC di Orléans, Francia.
Tuttavia, le attività di automazione delle costruzioni e la diffusione di robot di costruzione effettivi per aumentare la produttività del lavoratore sono state inferiori al previsto, in parte a causa dell'avversione dell'industria ai rischi associati all'introduzione di nuove tecnologie, specialmente i robot. Inoltre, a differenza delle loro controparti manifatturiere, i cantieri sono per la maggior parte non strutturati, ingombri e congestionati, il che li rende ambienti difficili per i robot. Mentre alcuni robot con intelligenza limitata stanno lentamente trovando la loro strada nei cantieri, altri rimangono prototipi in scala ridotta.
Nell'ingegneria pesante e civile c'è un grande potenziale per la robotica e l'automazione, a causa delle condizioni pericolose. I primi prodotti per le attrezzature per il movimento terra sono, per esempio, disponibili da CAT in quattro diversi livelli di autonomia che vanno dall'esecuzione di compiti assistiti a veicoli completamente autonomi. Questi veicoli come dozer o escavatori sono in funzione da diversi anni, soprattutto nel settore minerario.
Considerazioni sui costi-benefici e sfide di marketing
Il robot porta il materiale in alto in modo parzialmente o interamente autonomo, rendendo superfluo l'uso di gru che richiede tempo e lavoro. La costruzione robotizzata è quindi fino al 30% più veloce. Non dipende dalle condizioni atmosferiche - poiché l'attività di costruzione avviene all'interno, il che la rende anche meno sporca e rumorosa.
L'architettura dell'edificio deve essere adattata al metodo di costruzione. Dei cilindri idraulici devono essere collocati nelle fondamenta dell'edificio per permettere all'unità di trasporto di scivolare su e giù. Una domanda sufficiente di questi edifici uniformi è essenziale per ammortizzare i costi dei robot di costruzione.
La motivazione per l'uso della robotica nell'edilizia è quella di facilitare le condizioni di lavoro, fornire alle attrezzature robotiche dati digitali e sensoriali nei cantieri, aumentare la precisione e stimolare l'innovazione in questo settore economicamente enorme invece di fare affidamento sulla manodopera a basso costo.
In particolare le attrezzature da costruzione semiautomatizzate o anche controllate a distanza senza equipaggio potrebbero svolgere un ruolo prezioso nell'esecuzione dei lavori di costruzione, rendendo sicuri i lavoratori edili umani..
I principali vantaggi dell'introduzione dei robot in questo settore sono - la riduzione del lavoro manuale e l'aumento della sicurezza del lavoro.