大学教育网

未来建筑施工的四款新型大型机器人

导读 斯图加特大学的卓越集群建筑综合计算设计与建造(IntCDC) 获得了四个机器人平台,用于自动制造结构木材元件和纤维元件 。机器人系统是移动...

斯图加特大学的卓越集群“建筑综合计算设计与建造”(IntCDC) 获得了四个机器人平台,用于自动制造结构木材元件和纤维元件 。机器人系统是移动、灵活的预制技术研究的一个里程碑,旨在使建筑在未来更加可持续和高效。

位于Waiblingen郊区Neustadt-Hohenacker的工厂大楼看起来简朴,但它有其特点:在大楼内部,正在建造世界上第一个完整的信息物理建筑平台,即所谓的大型建筑机器人实验室(LCRL)。大型机器人实验室是斯图加特大学卓越集群“建筑综合计算设计与建造”(IntCDC)的旗舰。

移动、灵活预制技术实验室的核心是四个基于容器的机器人平台。其中两个设计用于制造结构木材元件,另外两个用于制造纤维元件。然而,在未来,这些平台也可以用作一个单一的、可重新配置的数字生产单元。

就在入口处,一条重达数吨的机械臂正沿着一条十多米长的直线轴滑行。慢慢地,但以猛禽的精确度,它低下头到一个木制的零件上,从中铣出一个金库元件来建造一个木制的凉亭。IntCDC 的博士研究员 Hans Jakob Wagner 说:“它还可以更快地做到这一点,最高可达每秒 2 米。”

机器人还可以协同工作:再往前几米,一个双胞胎机器人安装在平行轴上,两个巨人可以一起加工一个零件。高刚度可以实现最高精度的增材和减材制造步骤,并且机器人可以使用的工具库非常丰富:铣削和锯轴、各种夹具和爪、钉枪、自动螺丝刀、粘合剂涂抹器以及众多的摄像头和传感器系统……“这使我们能够执行各种不同的操作,”负责协调木材元素平台的博士后 Felix Amtsberg 博士说。

类似的尺寸适用于几米远的纤维元件平台,其中树脂浸渍的碳纤维被缠绕成透明的轻质元件。该单元也有两个机械臂,它们能够沿着 4 x 10.5 m 制造空间的轴线滑动,并且可以相互协作。这使得生产比以前更大、更复杂的结构成为可能。

IntCDC 博士研究员 Christoph Zechmeister 表示:“10 米长的大梁和大跨度结构都可以轻松制造,”他正在研究新型、极轻、高性能和材料高效的大型纤维复合材料组件的生产。与机床和制造单元控制工程研究所 (ISW) 和飞机设计研究所 (IFB) 的研究人员合作。

可重新配置和运输

两个单元都可以快速重新编程,并且可以立即更换工具。此外,它们可以装在标准的海外集装箱中,通过标准运输方式运送到制造公司或直接运送到建筑工地,因为它们只需要现场连接电源和压缩空气。在施工现场附近或现场进行机器人预制是一种新事物,也是提高建筑行业效率的重要先决条件。

“建筑与其他生产领域有着根本的不同,因为最终,您总是会根据项目特定的要求创建单独的作品。目前,这对自动化来说是一个障碍,尽管出于生产力原因和熟练工人的严重短缺,建筑行业迫切需要自动化,”IntCDC 主任 Achim Menges 教授解释道。

到目前为止,该行业已经通过使用标准化的组件来寻求摆脱这种困境的方法,因为它们以极端的形式从面板结构中获得。“模块化建筑往往会导致单调和缺乏拟合的准确性,尤其是在城市环境中,并且不满足每栋建筑都应适应其环境和地理位置的基本要求,”Menges 说。

他还指出,通过公路运输建筑构件会产生废气和噪音排放,并限制构件的可能尺寸。“出于这个原因,我们通过使其可重构和可运输,而不是建筑系统来模块化预制工厂。”

编程需要翻译

然而,一个挑战是建筑和工业机器人中常用的设计工具不会说同一种语言。为了能够对机器人进行编程,架构师的描述必须转化为数据模型。斯图加特大学机床和制造单元控制工程研究所 (ISW) 的负责人 Alexander Verl 教授说,对于这项任务,您需要跨学科的能力,该研究所是负责集群中这部分项目的研究所。

“例如,如果设计规定在特定位置进行压痕,我们必须编写路径并精确参数化机器人应该移除多少材料、以何种形式以及多久移除一次。”

问题的症结在于,“新架构”具有复杂且更复杂的结构,不包括通用部分的概念,因为每个元素都根据其特定要求进行调整,以实现轻量化和资源高效尽可能。木结构的每个保​​险箱元件和支撑结构的每个纤维元件都具有不同的几何形状。

“我们的格言是硬件保持不变,并通过对数字双胞胎重新编程来适应不同的设计——这是在高度复杂的控制环境中完成的,”Verl 说。他补充说,这不仅需要人工智能,而且尤其需要人类智能。“我们必须确定性地考虑我们到底需要什么,以及机器人可以在哪个位置合理地执行某个工作步骤。”

人机交互

尽管自动化程度很高:在生产过程中,机器人与人打交道,因为这不是用机器代替人,而是数字化和手工工作之间的新协作方式。“因此,我们在卓越集群中的很大一部分研究与新形式的人机交互有关,”Achim Menges 解释道。

为此,科学家们使用增强现实和混合现实的方法,既有视觉上由斯图加特大学可视化研究中心 (VISUS) 提供的方法,也有由马克斯普朗克智能系统研究所的 Katherine Kuchenbecker 博士开发的触觉方法。 . 研究人员还依赖已经提到的数字双胞胎,他们可以用它来尝试人类在各种情况下如何与机器人互动。“最终,我们的目标是以富有成效的方式将机器人和人类的特定技能结合起来,”Menges 指出。

平台将是未来集群建设的核心

新的机器人平台补充了大型建筑机器人实验室已经令人印象深刻的机器园区,其中还包括两台蜘蛛起重机和一台塔式起重机,用于机器人起重机技术的研究,以及用于混凝土研究的单元。实验室也将很快增加一辆自动驾驶汽车,以便将工件从一个平台运送到另一个平台。

Neustadt-Hohenacker 不会是机器人平台的最终位置:到 2025 年,LCRL 将搬入斯图加特大学 Vaihingen 校区的新集群大楼。在那里,实验室将成为 IntCDC 三个主要目标相结合的中心站点:集成和数字规划和工程方法的研究、网络物理预制新工艺的开发以及机器人辅助现场施工包括智能和可持续建筑系统的相关开发。

门格斯说,在此过程中,新机器人将首先用于建造示范大楼,然后成为内部研究基础设施的一部分。“IntCDC 大楼将成为共同设计的建成证明,这意味着以数字方式将规划方法、施工流程和建筑系统联系起来,使我们能够建造更具吸引力和更可持续的建筑。”