В настоящее время рост объемов возводимых зданий и сооружений ведет к необходимости привлечения значительного количества рабочей силы для выполнения строительно-монтажных работ, что в свою очередь поднимает проблему обеспеченности квалифицированными кадрами как инженерных, так и рабочих профессий. При этом нередко рабочие имеют недостаточную квалификацию, что приводит к допущению грубых ошибок, нарушению технологии и получению некачественной продукции, а также невыполнению сроков ввода объекта в эксплуатацию. Одним из направлений решения данной проблемы и совершенствования строительного процесса в целом является внедрение автоматизированных и роботизированных комплексов. Данный вектор развития сочетает в себе использование современных технологий в строительной отрасли и области робототехники, т. е. можно говорить о междисциплинарном научном подходе, что актуально в современном обществе, ориентированном на поиск путей развития не в рамках отдельного сектора производства, а нескольких направлений, как традиционных (строительства, машиностроение, металлургия), так и более современных (робототехника, мехатроника, интеллектуальные системы). Получаемый комплексный подход позволяет эффективно решать целый ряд актуальных вопросов строительной отрасли.
1. Повышение качества продукции. Применение автоматизированных технических комплексов значительно снижает риск совершения ошибки человеком, что позволяет строго соблюдать нормативы и требования к качеству возводимых объектов.
2. Сокращение сроков строительства и приведенных затрат. Автоматизация циклических операций, являющихся одними из основных в процессе возведения объектов из мелкоштучных материалов, позволяет добиться повышения производительности работ, сокращая тем самым временных затраты на возведение объектов. Важным параметром оценки применяемых методов строительства является объем выполненных работ на единицу времени при должном их качестве. Показательным примером здесь является строительство объектов из мелкоштучных материалов. Роботизированные комплексы при выполнении кирпичной кладки могут обеспечивать производительность свыше 70 куб. м. за 8-часовую смену [1], в то время как норма выработки бригады каменщиков из 5 человек за такое же время может варьироваться от 6 до 8 куб. м. в зависимости от сложности кладки. Это демонстрирует существенную экономическую выгоду от использования подобных автоматизированных и робототехнических комплексов.
3. Снижение физической нагрузки на человека в производстве. Механизация и автоматизация технологических процессов является существенным фактором, улучшающим условия труда и, как следствие, способствующим повышению его производительности.
Существующее многообразие робототехнических комплексов для возведения объектов из мелкоштучных материалов позволяет выявить некоторые типичные конструктивные и функциональные особенности известных решений и создать таким образом классификацию по ряду признаков. По способу размещения соответствующих комплексов на строительном объекте можно выделить следующие категории.
1. Стационарные комплексы — в общем случае представляют собой каркас, выполняющий функцию направляющих для перемещения исполнительного органа, непосредственно осуществляющего монтаж конструкций [2, 3]. Подобные комплексы обычно функционируют по принципу, сходному с используемым в 3D-печати, когда объект постепенно формируется за счет нанесения новых слоев поверх уже уложенных, постепенно увеличиваясь в высоту. Каркас такого комплекса стационарно устанавливается на месте возведения объекта до начала непосредственного процесса строительства таким образом, чтобы диапазон перемещения исполнительного органа полностью перекрывал площадь возводимого объекта. После окончания монтажа комплекс демонтируется. Такие решения позволяют значительно ускорить процесс строительства объекта по сравнению с неавтоматизированным подходом и получать высокую точность при возведении, поскольку элементы конструкции привязаны к местности при их монтаже и позволяют осуществлять точное позиционирование исполнительных органов. Вместе с тем, стационарные комплексы являются массивными и технически сложными устройствами, подготовка к установке, установка на месте строительства и наладка работы требует значительных трудовых и временных затрат и должна проводиться опытными специалистами, поскольку от качества выполнения этих операций в дальнейшем зависит качество строительно-монтажных работ. Стационарные комплексы чаще всего находят применение при возведении крупных, в первую очередь высотных объектов, которые позволяют полноценно использовать преимущества рассматриваемых систем.
2. Передвижные комплексы — в общем случае представляют собой системы исполнительных органов, непосредственно осуществляющих возведение объекта из мелкоштучных материалов, которые устанавливаются на подвижное шасси. Шасси передвигается вдоль периметра возводимого объекта по грунту, рельсам или иной заранее подготовленной поверхности и осуществляет монтаж конструкций [4–7]. Мобильность таких комплексов неизбежно ставит вопрос о снабжении систем исполнительных органов необходимыми строительными материалами. В известных решениях такое снабжение может осуществляться либо за счет непрерывной централизованной подачи [8], либо за счет периодической загрузки отдельных партий материала обслуживающим персоналом вручную или при помощи иных средств, не входящих в состав робототехнического комплекса [9]. Относительная гибкость передвижных комплексов позволяет значительно снижать время и трудоемкость работ по их развертыванию на объекте по сравнению со стационарными решениями. Вместе с тем, качество строительно-монтажных работ во многом зависит от подготовки путей передвижения таких комплексов, поскольку они оказывают значительное влияние на точность позиционирования исполнительных органов и, как следствие, на точность монтажа на возводимых объектов. Необходимость использования подготовленных путей также накладывает ряд ограничений на применение передвижных комплексов при возведении высотных объектов, поскольку зона вертикальной досягаемости исполнительных органов передвижных комплексов конструктивно ограничена, а повторяющиеся операции по подготовке путей передвижения с достаточной точностью повышают количество соответствующих трудозатрат пропорционально высоте возводимого объекта, в то время как для стационарных комплексов подобная подготовка проводится единовременно, в фазе их установки. Кроме того, качество работы передвижных комплексов в значительной степени зависит от функционирования и точности системы позиционирования исполнительных органов, поскольку ввиду перемещения комплекса по строительной площадке требуется постоянная переориентация системы координат на местности и частично к возведенному объекту. Такие особенности делают целесообразными применение передвижных комплексов для возведения достаточно крупных, но не высотных объектов, а также когда предполагается высокая степень автоматизации процесса строительства.
3. Многокомпонентные комплексы — в общем случае представляют собой множество однотипных устройств, действующих на возводимом объекте одновременно и в прямом или опосредованном групповом взаимодействии между собой. Каждое из устройств обладает высокой мобильностью, которая обеспечивается компактными размерами и практически полной автономностью в передвижении по строительной площадке. Идея таких комплексов заимствована из природных биологических систем — обычно, групп насекомых, которые сообща возводят обширные укрытия (термиты, муравьи, осы), как, например, в [10]. Производительность отдельного устройства является достаточно низкой ввиду отсутствия централизованной системы снабжения строительными материалами и энергоресурсами, либо отсутствия возможности обеспечения значительного их запаса в пределах самого устройства из-за малых габаритов. Однако, совместное действие множества таких устройств позволяет суммировать их производительности за счет параллельности функционирования, формируя в результате крайне гибкий комплекс с практически неограниченными возможностями масштабирования производительности. Вместе с тем, подобные системы являются весьма сложными в реализации, поскольку они основаны на сложных системах группового взаимодействия, алгоритмы функционирования которых в настоящий момент являются предметом многочисленных исследований. На настоящий момент отсутствуют готовые решения и опыт практического использования такого рода систем в строительстве.
Анализ имеющихся конструктивных решений в области робототехнических комплексов для возведения объектов из мелкоштучных материалов, позволяет также выделить два базовых подхода к конструкции исполнительных органов, непосредственно осуществляющих укладку строительных материалов, различающихся по типу используемого в них механизма:
- исполнительные механизмы манипуляторного типа — в таких решениях для формирования кладки используется исполнительный орган-манипулятор, функционально приближающийся к руке человека. Основной его чертой является то, что манипулятор захватывает элемент в месте складирования материалов, переносит его к месту укладки, осуществляет точное позиционирование и непосредственно монтаж, предварительно нанося на элемент вяжущее вещество. Такое решение, в зависимости от количества степеней с манипулятора, позволяет получить значительную гибкость и возможность реализовывать самые сложные типы кладки по аналогии с операциями, осуществляемыми квалифицированными рабочими. Вместе с тем, такие комплексы не позволяют получить значительное преимущество в скорости формирования кладки из мелкоштучных материалов, поскольку при этом выполняются те же операции, что производят рабочие. Основное преимущество таких комплексов заключается в облегчении труда рабочих и снижении требований к их квалификации, поскольку физически и технологически сложные операции осуществляются механизмами;
- специализированные исполнительные механизмы — в таких решениях для формирования кладки используется специально сконструированный механизм, к которому за счет сопроводительных систем подачи поступают строительные материалы. При этом, в сравнении с манипуляторными механизмами снижается гибкость процесса возведения, что может накладывать определенные ограничения на сложность осуществляемых типов кладки. Вместе с тем, специализированные механизмы позволяют значительно повысить скорость кладки за счет отсутствия необходимости переноса каждого элемента от места складирования к месту монтажа. Это позволяет успешно использовать их на объектах относительно простой конфигурации, но состоящих из значительного объема мелкоштучных материалов, что позволяет значительно ускорить возведение конструкции по сравнению с ручным трудом.
Анализ особенностей существующих решений совместно с требованиями современного строительного процесса позволяет сделать вывод о том, что сфера пересечения строительства и робототехнических технологий обладает значительным потенциалом для новых исследований и разработок, результаты которых могут быть востребованы в первую очередь на российском рынке, на котором наблюдается дефицит как предложения, так и практического применения автоматизированных строительных комплексов, в том числе для возведения объектов из мелкоштучных материалов. Актуальными направлениями развития специальной техники в данном направлении являются повышение степени автоматизации процесса строительства, повышение производительности и расширение функциональных возможностей роботизированных строительных комплексов, что позволит эффективно решать отмеченные ранее задачи. На основании проведенного анализа можно сформировать ряд требований, которые предъявляются к современным робототехническим комплексам для возведения объектов из мелкоштучных материалов, которые могут быть востребованы в современной строительной сфере в России и за рубежом.
1. Комплекс должен быть многофункциональным, т. е. обеспечивать полный цикл работ при устройстве кладки вне зависимости от его конструктивного решения и способа размещения на строительной площадке.
2. Комплекс должен быть универсальным, т. е. его конструкция и функциональные возможности должны позволять эффективно использовать его при возведении объектов различной сложности, высотности, объемности и т. п. При этом комплекс должен иметь возможность выполнения различных видов кладки: сплошной или колодцевой, различной толщины, выполнение эркеров, круглых стен и т. д.
3. Комплекс должен быть гибким и высокомобильным, т. е. иметь возможность быстрого ввода в эксплуатацию при размещении на объекте или перемещении на новые участки работ, а также оперативной переналадки.
4. Комплекс должен иметь более высокую производительность и обеспечивать меньшее количество ошибок в сравнении с живой рабочей силой при одинаковых объемах производства работ.
5. Комплекс должен быть простым в эксплуатации и обслуживании, что позволит использовать минимальное количество обслуживающего персонала и в свою очередь приведет к снижению затрат и удешевлению строительного производства.
Разработка мобильных робототехнических комплексов для возведения объектов из мелкоштучных материалов, отвечающих таким требованиям, а также проведение исследований, обеспечивающих возможность создания таких комплексов, является важной научной и практической задачей, решение которой лежит в рамках междисциплинарного взаимодействия сфер строительства, машиностроения и информационных технологий.
Литература:
1. Оборудование для автоматизированной кладки кирпичных стен МКСК [Электронный ресурс]. — URL: http://a-v-a.ru/index.php/real-projects/story/kamen.
2. Springer Handbook of Automation / Под ред. Shimon Y. Nof, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2009. — 1888 c.
3. Marc Howe. Robots on the Verge of Invading Construction Sites [Электронный ресурс]. — URL: https://sourceable.net/.
4. P. S. Lawrence, P. Nathan, C. T. Charles. Brick Laying System. — Патент США US2015082740 (A1), 2015.
5. B. Dornsiepen. Mobile building-block-laying masonry machine. — Патент Германии DE2406588 (A1), 1975.
6. N. Francois. Robotic Device for Building a Wall from Construction Blocks. — Патент WO2009044002 (A1), 2009.
7. G. Pritschow, M. Dalacker, J. Kurz, J. Zeiher. A Mobile Robot for On-Site Construction of Masonry. — Proceedings of Conference: Intelligent Robots and Systems, т.3. — С. 1701–1707.
8. M. J. Pivac, M. B. Wood. Automated Brick Laying System for Constructing a Building From a Plurality of Bricks. — Патент США US2009038258 (A1), 2009.
9. J. Dyson. AMPRO BR — Bricklaying Robot [Электронный ресурс]. — URL:. http://www.jamesdysonaward.org/ru/projects/ampro-br-bricklaying-robot/.
10. J. Werfel, K. Petersen, R. Nagpal. Designing Collective Behavior in a Termite-Inspired Robot Construction Team // Science, т.343. — 2014. — № 6172.
