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日本清水建设公司建筑机器人研发部门负责人谈智能建造初衷及未来

日本清水建设公司建筑机器人研发部门负责人谈智能建造初衷及未来

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显而易见,建筑业是建设和维护繁荣社会不可或缺的行业,从世界各地的史前遗迹所揭示的远古人类的活动可以看出,建造建筑物和道路基础设施等的建筑业是深刻反映时代和社会的文化和文明的承载者,它所从事的制造业生动地反映了时代和社会。扮演着如此重要角色的建筑业正面临着行业生存危机。在建筑工地上,有许多工作需要依靠人们的判断力,需要根据实际情况灵活应对。然而,该行业中承担这些任务的人数正在迅速减少。日本的建筑工人数量正以每年10万人的速度减少。在此背景下,建筑公司为了确保行业的生存,越来越多地开发和引进建筑机器人,将以前由人工完成的任务自动化。人类和机器人共同建造大型建筑的局面已经成为现实。我们采访了实际参与建筑机器人开发的清水公司生产技术本部生产技术开发中心负责人松本真一先生,请他谈谈建筑机器人开发的背景、在建筑工地引进建筑机器人时必须克服的障碍,以及使用建筑机器人将带来的未来建筑业。

 清水建设建筑机器人研发中心负责人松本真一

问:是什么让你们决定开发建筑机器人?

松本:主要原因是建筑业面临的挑战:建筑工人,特别是熟练工人的数量长期下降。建筑、道路和其他结构的建造离不开大量人员的帮助。如果建筑工人数量减少,新建和维护建筑将变得更加困难。在努力保持和增加工人数量的同时,也有必要推进技术发展,以实现少人施工。

此外,建筑工地上还有很多 "苦活"(即所谓的3K工作:苦、脏、险)。例如,在建筑物的墙壁和天花板上喷涂防火材料的防火包层工作,就是在酷热的环境下穿着厚厚的防护服进行的艰苦工作。长期以来,人们一直希望将工人从这种艰苦的工作中解放出来。

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作为这些问题的解决方案,建筑机器人一直是人们关注的焦点。虽然使用机器人可以提高生产率,但我们更优先考虑的是工人短缺问题,以及将他们从艰苦的工作中解放出来。
问:为什么不是等机器人厂家研发,而是自己去开发建筑机器人?
松本:事实上,挖掘机等大型建筑设备是由建筑设备制造商开发和提供的。然而,最初在建筑工地工作的人们所使用的小型工具和设备,即使不是内部开发的,也往往是通过与制造商讨论可用性和功能需求而开发出来的。
建筑机器人现在并不是世界上广泛使用的机器。在开发时,需要对现场的工作进行评估,并适当考虑其应用的任务和使用方式。此外,在实施应对工人数量减少的措施时,需要有紧迫感,在某些情况下需要加快建筑机器人的开发,所以我们决定率先自行开发机器人。当然,建筑公司并不擅长设备开发,因此我们与拥有机器人开发所需基本技术的公司合作开发机器人。
问:现在你们都开发了什么工艺类型的机器人?
松本:我们已经开发了多种类型的机器人。我们对每种机器人都进行了不断改进和测试,以使它们在工地上更加有效,我想介绍其中几款。
第一款是Robo-Carrier,这是一种自动水平运输石膏板等重型材料的机器人。通过平板终端输入要运输的材料和目的地,机器人就会在无人操作的情况下自动将材料运输到指定地点。如果机器人在运输途中发现障碍物,它会重新规划路线以避开障碍物;如果有人靠近,它会利用防碰撞功能停止运输。此外,还可以同时操作两个机器人,以高效率运输材料,同时在移动过程中不会相互干扰。

图片自动搬运系统“Robo-Carrier”

接下来是钢柱焊接机器人Robo-Welder,高质量的焊接需要根据条件对焊缝进行宽度、高度及形状的微调,以确保焊缝尽可能一致。将焊缝拉直并确保一定的厚度需要高水平的技能,Robo-Welder使用激光传感器确定焊缝形状,并自主确定向焊缝填充焊接材料的程序,然后在移动六轴机器人手臂的同时自动执行高难度的焊接任务。

图片自主焊接机器人“Robo-Welder”

六轴机械臂可以像人的手臂一样移动,操作员可以在确认焊接部位(凹槽)的形状的同时,自由操控机械臂末端的形状识别激光传感器和焊枪实现焊接。
然后是Robo-Spray,这是一种均匀喷涂防火涂料的机器人。该机器人可以自由操控涂料喷嘴,即使在梁两侧、梁下等难以到达的区域也能喷涂防火涂料。使用6轴机械臂,在保持喷嘴角度、与钢梁的相对位置和适当的运行速度的同时进行喷涂工作。

图片半干式防火涂料喷涂机器人“Robo-Spray”

此外,还有双臂多功能建造机器人“Robo-Buddy”,它有两个6轴机械臂,可以建造天花板和地板。在使用各种传感器识别用螺钉紧固天花板的格子状基材的位置的同时,一只手臂抬起天花板并将其与安装位置对齐,另一只手臂将板拧到基材上。同一个机器人还可用于在高架地板上安装基座和面板等任务。

图片双臂多功能机器人“Robo-Buddy”

此外,还有打大、长螺钉的机器人(木结构建筑)和无人叉车式运输机器人。
问:这么说你们已经开发出很多先进的建筑机器人了?目前数字控制技术在其他行业正在快速发展,例如汽车领域的自动驾驶技术、信息处理领域的人工智能(AI)、通信领域的5G等。其他行业的这些技术创新是否为建筑机器人的发展和迭代提供了助力?
松本:我认为有这方面的作用,我们一直在关注其他行业创新的最新信息。每次如果我们收到的信息有可能可以用于我们的研发,我们都会考虑使用的可能性。
例如,对于在云端运行的机器人和通过云端执行质量检查的检查系统来说,通信至关重要。近年来,随着项目规模的不断扩大,越来越多的地下深处或150米以上的超高层建筑中无法使用LTE和4G的环境。5G和Wi-Fi等通信技术创新将为开发和运营提供直接动力。此外,作为机器人眼睛的传感器和图像处理等技术的进步也将提供助力,但这些技术创新不仅限于机器人的发展,还包括对所使用的机器和工人的位置信息的利用,在这方面也有很大帮助。
问:你们开发的建筑机器人有用到现场了吗?
松本:是的,我们已经在现场使用了。例如,清水建设在东京港区建设的“虎之门麻布台项目(虎之门麻布台地区1型城市再开发项目)A座”中,采用了自动搬运机器人、焊接机器人、防火喷涂机器人、高架地板施工机器人等,根据现场的工期安排随时导入机器人。对于需要质量保证的工种,机器人和工人共同完成工作,并不时通过主管的检查。那里使用的自动运输机器人、焊接机器人和防火涂装机器人现在被转移到了附近港区芝浦的建设项目,目前也在使用当中。
问:未来建筑机器人会越来越普及吗?
松本:我认为首要任务是提高现有机器人的成本效益。就成本而言,人们做这项工作仍然要便宜得多。然而,如果劳动力短缺确实变得明显,则需要采取某种对策来完成更多任务。考虑到建筑工人数量每年减少10万人,未来很可能会出现因劳动力短缺而无法建造的建筑。我认为我们需要在类似的事情发生之前做好准备。
另一方面,引进机器人并不是唯一的对策。通过高效管理人工作业提高生产效率还有很大的改进空间,平衡好机器人等新技术与工人管理方法等的改进之间的关系,合理考虑引入很重要。

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问:你们研发的建筑机器人可完全无人操作吗?
松本:基本上都是由操作员操作的。目前为止我们没有考虑过完全无人化。但是也不是说一定是1人1机,尽可能是开发可1人操控多台的机器人,从而减少操作人员的数量。
如果工人数量进一步加速减少并且技术进步,则可能需要根据应用来研发完全无人操作的机器人和与人类合作的机器人。例如,运输和提升材料等任务可以留给可以自主操作的机器人。另一方面,对于对建筑质量有重大影响的工作,人类和机器人有必要共同工作或分担工作。
一个典型的例子是喷涂防火涂料。当机器人进行喷涂过程时,工人紧随其后,同时仔细检查喷涂材料的厚度以确保质量。如果需要维修,工人将用机器人跟进。强迫机器人完成所有工作不仅会降低质量,还会降低工作效率。此外,无论机器人的工作表现如何,我们都不能依赖它们,因为我们负责高质量的施工工作,有必要为每种类型的机器人施工工作建立人类和机器人的最佳组合。
问:在工业产品的制造中,有使用机器制造的质量比人制造的质量高得多的例子。为什么人类知识和技能对于确保建筑质量尤其重要?
松本:我认为这是因为工厂制造和建筑工地的制造方法存在很大差异。制造工业产品的工厂拥有针对在设定条件和程序下制造产品而优化的生产线。而建筑工地并没有可以事先明确工作内容和工况的产线化作业,时常需要根据施工的状况及状态,依靠人的判断,边进行一定的调整边作业。在工地现场,需要边对工厂生产的规格品与现场人工组装的构筑物进行微调边施工。我认为这就是一切都是标准化尺寸的制造业与当场制造的建筑业的主要区别。

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问:原来如此,建筑工地的质量控制意识很强,需要人做出高层次的质量控制决策。在这种情况已经成为常态的建筑行业,由机器人而不是人来完成工作,这真是改变价值观的划时代事件。
松本:我们事先预料到,在现场实际引进机器人时会遇到一些障碍。这是因为在焊接等与耐久性和安全性相关的任务中引入机器人时,我们必须获得对质量要求较高的客户和设计部门的理解。
首先,有的施工计划是以人进行施工为前提的,但没有设想机器人介入施工过程的计划。因此,在引进该系统时,我们制定了包括机器人施工在内的施工计划,并反复开展活动,通过演示试验等方式,让客户和设计单位了解机器人施工可以确保与人工施工相同或更好的质量。通过这些努力,我们逐渐得到了设计单位和其他各方的理解。
问:如果在建筑行业内广泛认识到即使使用机器人进行施工也可以确保足够的质量,那么机器人活动领域似乎将会扩大。
松本:没错。建筑工人数量的减少是建筑行业企业面临的共同问题。因此,除清水公司外,其他建筑公司也在各自开发建筑机器人。2021年9月,为了进一步提高建筑行业的生产效率和吸引力,进一步节省人力,共同开展建筑机器人和物联网领域的研究和开发,成立了建造机器人转型联盟。由于每家建筑公司都拥有用于不同目标任务的机器人,因此将它们集中在一起进行联合评估,以有效改进和升级功能。
问:从全球来看,日本建筑机器人技术处于什么水平?
松本:我有机会实际观察了美国等国家的发展趋势,我想说我们的焊接机器人处于最先进的技术水平。然而,中国等国家的技术水平已经显著提高,有些领域我们也无法赶上。
看看国外的发展,我发现各国对于建筑机器人的关注点存在很大差异。日本倾向于优先考虑提高质量和投资先进技术。另一方面,以中国制造的工程机械为例,它们价格低廉、品种齐全、功能多样。
问:您认为建筑机器人的日益普及将如何改变建筑行业的工作方式,或者换句话说,改变建筑物的建造方式?
松本: 如果使用机器人进行施工变得普遍,那么以机器人为设计理念的建筑就有可能出现。清水建设正在开发使用3D打印机建造混凝土建筑的技术,我认为这不仅适用于建筑物,也适用于小型工业产品。通过使用3D打印机,可以创造出使用传统建筑方法无法实现的形状和尺寸的物体。对于建筑物来说,柱子和其他材料的可运输尺寸会影响建筑物的形状和施工方法的选择。通过使用3D打印机,这些限制可能会被消除。使用机器人也是如此,人类不可能建造的建筑的设计和结构,如果使用机器人来建造,就可能成为可能。
问:这样的话,城市面貌都会不一样了吧。
松本:机器人和3D打印机都是如此,机器直接接收设计数据并自动建造建筑的时代有可能到来。目前,我们正在利用BIM(建筑信息模型)创建一个系统,实现从设计到施工和维护的高效工作。从设计到施工,建筑物的所有构件都被转换成数据,利用这些数据的数字制造技术制造出建筑物的构件,并利用XR技术、各种图像数据处理技术和传感器等数字工具进行施工管理,从而实现人与机器人最佳组合施工的数字化制造。这正是我们的建造愿景 "清水智慧工地 "的精髓所在。建筑投入使用后,我们将利用城市和建筑数字孪生(将从设计阶段到施工阶段创建的 BIM 数据与建筑投入使用后的真实数据相结合),不仅为客户提供数字服务,也为使用设施的人们提供数字服务,并开发提供舒适空间和所需信息的数字服务。提供舒适空间和信息的数字化服务将不断发展。未来,包括建筑物在内的所有物体都将具备物联网功能,不断与互联网连接,以前相互独立的物体也将相互连接,通过传感和成像技术以及人工智能,个人行为将被越来越多地学习。城市和建筑将为每个用户提供个性化服务。随着城市景观的变化,我们的生活本身也将加速改变。

图片清水建设智慧建造概念图

问:如果建筑物不以人造为前提的话,那么建筑物似乎可以在人类难以建造大型结构的环境中建造,例如太空或深海。
松本: 如果使用机器人进行全自动施工成为现实,那么这项技术将用于在此类环境中进行施工。人们需要在人无法进入的地方建造某种建筑,更不用说在太空、深海以及核电站充满辐射的环境等危险场所了。事实上,美国一家新成立的公司就有利用3D打印机在月球和火星上建造建筑物的设想,并正在进行示范测试。机器人的使用也可以在类似的背景下加以考虑。

图片清水建设深海未来城市概念“海洋螺旋”

问:看来,如果人类到达火星时已经有了居住的地方,那么迁徙就会顺利很多。这项技术很可能扩大人类活动的范围。
松本:建筑机器人的发展是帮助我们解决未来劳动力短缺的技术之一,建筑机器人的进化可能会成为一种为我们人类带来新的可能性的技术,这是一项非常梦幻的技术。然而,有些事情我们需要牢记,制造业是基于人与人之间真实交流的事实,不能忘记制造即是情感体验过程这个根本。


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