能自主建房子的机器人已经出现了？

陆柒机器人大讲堂

2024-09-05

建筑行业是一个非常广泛的领域，包括工业建设和专业工程等方向。

公路、铁路、轨交、机场等基础设施建设，化学工业工程、冶金工业工程、轻工业工程、环保工程等专业工程建设，以及大家最为熟知的住宅类和商品房屋建设都在建筑行业的细分领域范围之内，也因此，建筑行业的整体发展对社会发展异常重要。

然而，近年来受生育率下降、人类与其寿命延长以及大量人口不如老龄阶段等因素影响，全球人口结构已发生改变，持续的人口老龄化带来劳动力短缺、人力成本上升等问题，应对日益加剧的人口老龄化问题已成为很多国家的重大挑战。

在建筑行业，人口老龄化所带来的劳动力缺失对行业的影响尤甚。建筑行业作为一个劳动密集型行业，对人力资源有大量需求。由于建筑行业工作条件艰苦、劳动强度大灯因素，很多人不愿意从事该行业。而与之相悖的是，建筑行业发展迅速、对工人的需求量不断增加。建筑行业要想进行更深度发展推行机械化、智能化转型升级已迫在眉睫。

在建筑行业，国内已涌现出诸如博智林、大界机器人、领鹊科技等建筑机器人研发与制造企业。在国外，关于建筑机器人的研究更是较早就已经进行开展。

前不久，苏黎世联邦理工学院的研究人员部署了一台名为HEAP的自动挖掘机，该自动挖掘机可利用石块亦或由混凝土拆除产生的碎片来自主建造干石墙。作为国家数字制造研究中心的一部分，该研究团队开发的这一创新设计应用被发表在《Science robotics》上。

▍12吨步行式自动挖掘机HEAP，每小时可建成 1.1 m 的成品墙面

据了解，自动挖掘机HEAP是一款改装的12吨步行式机器人挖掘平台，在驾驶室和臂上配备了多个 LiDAR 传感器和摄像头，能够利用当地可用的、未改性的天然和回收材料建造大型石墙和景观，并允许使用光检测和测距（LiDAR）映射、学习图像分割、掌握启发式和分类来从高度异质的石头构造任意弯曲和明确定义的墙壁形状，以隔离、数字化和操作非结构化中的石头实例环境。

通过实验测试并结合扫描和放置程序的平均持续时间证实，自动挖掘机HEAP目前每次放置石块需要 21 分钟。考虑到石块的尺寸，自动挖掘机HEAP每小时可放置1 m 或 2.8 吨材料。考虑到试验所建石墙的平均壁厚和空隙率，排除预备阶段的石块扫描，自动挖掘机HEAP每小时可建成 1.1 m 的成品墙面。

通过多次验证该研究团队证明，自动挖掘机HEAP单日连续放置 28 颗石块的平均放置率高达 12.2 分钟，即平均每颗石块放置时间为5分钟左右。为了进行比较，研究团队就经验丰富的挖掘机操作员在地面上建造单层墙时的速度进行了现场考察，结果显示，熟练挖掘机操作员每块石头的平均放置速度为 11 分钟：自动挖掘机HEAP目前在放置速度方面优于人类挖掘机操作员。

但操作员通常需要绳索和油漆参考来记录其构造，并且通常需要机器外的第二人或第三人来提供指导并用手和铲子插入小支撑石、砾石和土壤。相比之下，使用自动挖掘机HEAP不仅可以构建复杂的非平面全局表面几何形状，在使用过程中也无需物理参考标记，不需要熟练的驱动程序或小支撑石，且自动挖掘机HEAP还可以提供建筑结构的完整数字孪生，以实现对工程建造进度与方向的更好监督。

此外，由于材料规模较大，相对于熟练石匠工建造两层鹅卵石墙速度而言，使用自动挖掘机HEAP的建造速度明显快于每人每天 2 吨的手动建造速度。

通过使用自动挖掘机HEAP运用几乎不需要运输和预处理的材料建造独立式石墙（10 米 x 1.7 米 x 4 米）和永久性挡土墙（65.5 米 x 1.8 米 x 6 米）与机器人轮廓露台（665 平方米），研究团队也展示了自动挖掘机HEAP利用高度不规则、丰富且可持续的材料进行适应性建造的潜力。

▍建造速度远超熟练工，自动挖掘机HEAP建造“神速”的秘密

小型机器人已开发出各种基于移动的机械手，用于使用聚氨酯泡沫、粘土、混凝土和石膏进行原位增材制造，以及用于砖墙和砌块墙的组装。为了操纵石块等不规则材料，团队开发了专门的硬件，用于农业中的辅助岩石清除以及碎石防波堤的遥控调平和组装。对于重型施工任务，业内也有一系列履带式和轮式挖掘机已进行改造，可实现自主和半自主操作。团队使用了定制的机器人挖掘机——用于自主目的的液压挖掘机（HEAP）。这一挖掘机此前被部署用于进行挖沟、树木采伐和远程操作。

为了促进空间地图中石头实例的在线检测和分割，从而实现机器人抓取和对单个石头和碎石元素进行纹理3D扫描，自动挖掘机HEAP的系统从真实和模拟数据两个信息渠道来源中进行了学习。同时，鉴于数字化石块库存有限，自动挖掘机HEAP的几何规划算法使用约束配准和符号距离场分类的组合来确定如何将它们定位以形成稳定且明确形状的结构。

据悉，该研究团队所提出的在线规划算法，可以确定有限范围的构建序列，利用几何属性快速生成候选石头姿势，并使用迭代最近点（ICP）配准的扭矩和穿透约束变体进一步对齐。使用三通道有符号距离场 (SDF) 表示对生成的候选放置进行分类，该表示封装了每个独特解决方案周围的局部环境和所需的墙壁几何形状，并且使用抓取和轨迹计划执行选定的石头放置考虑拾放序列两端的碰撞约束。

团队所提出的施工和景观美化解决方案是在闭环中执行的，其中累积的激光雷达地图用于石料建筑中竣工结构的 ICP 细化或测量挖掘中所需地形和实际地形之间的位移。这个单一平台能够处理多种原位颗粒材料，其规模范围从粘土（中间轴长d I < 0.004）到粗砾石（d I ≈ 2 m）。这项工作促进了永久性和高性能干石墙的全面机器人施工，利用多模式工具（夹具和铲子），自动挖掘机HEAP在单个工地上可完成基础设施规模的景观美化和建筑任务。

为了实现自动挖掘机HEAP使用原材料和回收材料也可进行施工，研究团队对以往已有相关研究进行了改进，实现了在施工过程中自动数字化对象，并不断更新建筑平面图，从而通过考虑沉降并确保单个建筑元素损坏或丢失时的稳健性来减少建造过程中失误的出现与积累。

基于团队早期在几何规划、石头分割和抓取方面的工作，该研发团队提出了一个能够在野外自主检测、抓取、扫描和重新定向石头的综合系统。该系统可使几何规划器能够优化稳定和稳定的石头。

▍结语

自动挖掘机HEAP的研发不仅实现了对现场资源的高效利用，同时也为普通建筑工程劳动力替代和偏远地区施工提供了有效解决方案。接下来，一起通过一段视频来看看自动挖掘机HEAP是如何作业的吧！

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