利用定制的自主液压挖掘机原地制造石墙

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现场机器人施工不仅有可能使建筑装配体的尺寸和复杂程度超出基于实验室的预制方法的实际水平,而且还提供了利用特定环境、当地采购的材料的机会,这些材料价格低廉、数量丰富、体现的能量低。研究者介绍了一个在原地建造干石墙的过程,由一个定制的自主液压挖掘机来实现。安装在机舱内的激光雷达传感器提供了地形测绘、石材定位和数字化,规划算法确定了每块石材的放置位置。由于在施工开始时,材料的特性是未知的,并且由于误差的传播可能会阻碍预先规划的非均匀组件的功效,因此,该结构是即时规划的:在放置每块石头之前,立即计算出每块石头的理想位置,并计算出任何沉降或意外的偏差。研究者介绍了这种几何和运动规划过程的第一个结果:由40块石头组成的3米高的墙,平均重量为760公斤。本文以“Autonomous dry stone On-site planning and assembly of stone walls with a robotic excavator”为题于2020年9月29日发布于《Construction Robotics》杂志上。

利用定制的自主液压挖掘机原地制造石墙


研究背景与实验


计算规划和制造工具有可能极大地提高建筑的可持续性,从而允许使用大量可获得的天然和再生材料,这些材料目前过于复杂或耗时,无法进行成本效益高的广泛应用。与许多常见的建筑材料相比,经过最少处理的岩石和局部回收的拆除碎片具有极低的体现能。


下面介绍了一个利用定制的自主移动液压挖掘机就地建造双面干石墙的集成系统。研究者概述了一个绘制环境地图的过程,并对不规则的石头进行定位和数字化。利用这些数字化信息,研究者通过算法确定石块的位置和方向,使其与设计者指定的目标表面对齐,并进行抓取和运动规划,以实现无碰撞放置。研究者通过用40块质量在230-1548kg之间的石头建造了一堵3米高、总长度为5米的墙来证明研究者的方法的适用。

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图为用自动液压挖掘机建造石墙


最近在建筑数字制造领域的一些项目将非标准输入材料与机器人建造相结合。这些项目在重建计算设计和制造过程中发挥了重要作用,不仅可以实现数字复杂性,而且可以理解和适应物质世界的现有复杂性。

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图为设置图


石墙是使用堆(用于自主目的的液压挖掘机)建造的,这是一种高度定制的Menzi Muck M 545 12t步行挖掘机,用于自主应用和先进的遥操作。从永久安装的基站接收到全球导航卫星系统信号的实时运动学(RTK)校正,以提高精度。牵引线编码器用于测量液压臂和抓斗缸的位置和速度。


该项目的所有软件组件均采用C++语言编写,并使用机器人操作系统(ROS)在分布于多台计算机上的不同软件节点之间通过网络传输数据。ROS主机管理进程之间的连接,位于堆的车载计算机上。

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图为初始状态的石头


在三维重建中,端部执行器以连续的速度旋转在LiDAR传感器前面,同时保持着石头。利用已知的夹持器的几何形状,研究者在石头上积累点的同时,过滤出属于末端执行器的点。通过从不同的观察角度将多个点云连在一起,并应用Poisson曲面重建来记录石头的完整轮廓


基于激光雷达的场景映射一个精确的地图,挖掘机的完整周围(包括在建的结构)是必要的规划抓取配置和手臂运动,以便于决定在哪里和如何定位石头。


每一块石头的迭代选择、定位和定向是由一个几何规划软件决定的,该软件试图建造一个由用户指定的目标表面垂直包围的双面墙,下面是现有地形的LiDAR扫描高程图。给定任意数量的可用石头,该软件从可用的解决方案中确定优选的放置位置,并对所选的石头和所需的转换进行进一步处理,以便进行抓取规划和物理定位。而不是预先规划整个墙,软件计算解决方案的飞行,石头一石一石。这样做有两个原因:


首先,对于足够大的建筑,如果需要按需打捞、出土或按需交付,则预先扫描、分类和存储数百或数千块石头是不切实际的,因为所需的空间和复杂性可以最小化。在飞行计算解决方案允许一个更适应的结构,不被阻碍,如果一个预先计划的石头失踪。


第二,石头的绝对刚度会导致显著的误差传播,从而导致不理想的偏离预期几何形状的结果,进而导致更高的结构倒塌概率。扫描几何图形中的任何细微差异都会在放置过程中造成意外的碰撞或沉降,而当前的设置允许在下一个解决方案中自动计算这些更改。

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图为石材解决者的目标和方法


上图中,a为把石头下面的体积降到最低,b为尽量减少石面和目标表面之间的体积,c为计算人脸和边缘,d为沿边缘路径取样,e为在边缘中点计算描述符,f为边缘路径点的描述符,g和h为每个部分比赛有两个可能的方向,i为稳定性与上法向因子

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图为建造的墙的高度细节

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图为几何规划软件的屏幕截图

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上图中表达出掌握一个石头的计划和放置到它想要的位置(红色)。A碰撞定位点云,B点云定位点云,C样条运动轨迹,(D,Green)无碰撞抓取假设,(E,红色)抓取假设与碰撞,F选择抓取配置。碰撞点云是用已经局部化的石头组成的点云来增强的。


抓取姿态规划的目标是找到可行的抓取配置,使挖掘机能够选择所需的石头,并将其放置在计划的位置,而不会与现有的墙壁发生碰撞。

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图为有目标面和指示放置的石头与一个目标表面之间距离的建造墙的数字模型


该研究所开发的定位、扫描、几何和运动规划程序被用来建造一个大型(3米高和5米长)的测试墙,使用40块可用的片麻岩。


虽然几何规划师允许用库存中任意数量的石头找到解决方案,但如果有更多的石头可供选择(增加搜索空间的计算费用),则可以预见地找到更好的对应关系。对于大得多的建筑,人们可能会成批地扫描和建造,将几十块数字化的石头保存在库存中,当在某些公差要求中找不到解决方案时,再将其重新填充。在这个实验中,有固定数量的可用石头(40块),在开始建造墙壁之前,每一块石头都被扫描并添加到数字清单中。这加快了建造速度,为初步规划步骤提供了各种各样的石头。计划和执行是按顺序执行的,这意味着在每次放置之后,在开始下一个更新步骤之前,在几何规划中对石头姿态进行细化和更新。

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图中墙的建造正在进行中,其中2块(上图)和20块(下面)在本实验所用的40块石头中放置了石块


一些改进是有意的,这将提供更多的过程鲁棒性,并允许额外的设计约束,以影响求解者。虽然这个最初的原型被想象成一段较长的墙。

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目前,研究者依靠物理模拟来进行稳定性评估,而在未来的工作中,研究者将考虑通过物理探测建筑结构来验证结构。装有压力传感器和附加力-扭矩传感器的挖掘机将作为施工工具和测试设备,使用施加的载荷来验证结构的稳定性和测量变形。


在进行中的墙与结构的潜在延伸的叠加,产生通过允许求解者继续使用更多的数字石材模型。


这项研究展示了从广泛的输入和目标几何图形创建结构的机器人过程:允许将数字设计目标与现有的、由未加工或加工最少的天然石材建造的双面独立干石墙的古建筑方法相结合。与切割石头(尤其是混凝土)相比,这些材料的能量极低,因为运输所需的时间非常少。


这种方法不是修改个别的石头,而是把重点放在沿着某一墙剖面的外两面清洁地拟合出的石头表面,同时容忍在石柱的隐藏空间内的石头之间有必要的间隙。即使在建造良好的石墙中,这些缺口也可占建造量的20-40%。


实验结论


该研究介绍了一个利用定制的自主移动液压挖掘机就地建造双面石墙的集成系统。研究者概述了一个绘制环境地图的过程,并对不规则的石头进行定位和数字化。利用这些数字化信息,研究者通过算法确定石块的位置和方向,使其与设计者指定的目标表面对齐,并进行抓取和运动规划,以实现无碰撞放置。研究者通过用40块质量在230-1548kg之间的石头建造了一堵3米高、总长度为5米的墙来证明研究者的方法的适用。


参考文献:Ryan Luke Johns, Martin Wermelinger, Ruben Mascaro, Dominic Jud, Fabio Gramazio, Matthias Kohler, Margarita Chli & Marco Hutter  Autonomous dry stone  On-site planning and assembly of stone walls with a robotic excavator Construction Robotics (2020)


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