Швейцарские инженеры разработали алгоритм для автономного шагающего колесного робоэкскаватора HEAP, который позволяет ему складывать из необработанных каменных глыб и кусков бетона конструкции без использования строительного раствора. Для демонстрации возможностей робоэкскаватор в автономном режиме сложил из валунов со средней массой около одной тонны 10-метровую и 65-метровую стены. Статья опубликована в журнале Science Robotics.
При поддержке высокопроизводительного и масштабируемого российского веб-сервера Angie
Швейцарские инженеры уже несколько лет работают над проектом автономного робоэкскаватора HEAP (hydraulic excavator for an autonomous purpose — гидравлический экскаватор автономного назначения), который способен самостоятельно без участия человека выполнять различные строительные работы. За прошедшее время разработчики научили экскаватор не только автономно передвигаться по неровному рельефу строительной площадки, но и, например, самостоятельно и с высокой точностью копать траншеи заданной формы, а также возводить насыпи без вмешательства человека.
Базой для землеройной роботизированной машины послужил 12-тонный серийный швейцарский шагающий экскаватор Menzi Muck M545. В отличие от обычного экскаватора, у этой модели колеса располагаются на подвижных гидравлических ногах, которые имеют несколько степеней свободы. Благодаря этому он может передвигаться по сложному рельефу. Гидроцилиндры на экскаваторе заменены на модифицированные, содержащие датчики усилия и степени раскрытия, чтобы отслеживать их состояние и взаимодействие с грунтом. Также экскаватор оснастили датчиками GPS, камерами, лидарами, два из которых располагаются на кабине, и один — на манипуляторе, и инерциальными измерительными устройствами. Благодаря этому набору сенсоров экскаватор получил возможность составлять динамическую карту окружения и отслеживать свое положение в пространстве.
Новая работа группы инженеров под руководством Марко Хюттера (Marco Hutter) из Швейцарской высшей технической школы Цюриха посвящена разработке алгоритмов, с помощью которых робоэкскаватор HEAP может самостоятельно возводить устойчивые постройки из крупных необработанных каменных камней и кусков бетона, свободно укладывая их друг на друга без скрепляющего строительного раствора. Такой метод позволяет использовать для строительства найденные в окрестности готовые природные материалы, тем самым уменьшая затраты на транспортировку и снижая сопутствующий экологический вред.
Перед тем как приступить к строительству, экскаватор создает трехмерную карту строительной площадки и распознает расположенные на ней подходящие глыбы и бетонные обломки с помощью алгоритма машинного зрения. Для его обучения используются автоматически размеченные сгенерированные изображения груд камней разных форм и размеров, дополненные некоторым количеством реальных изображений, размеченных вручную. Затем экскаватор с помощью захвата поднимает каждый объект и, вращая его с постоянной скоростью перед установленными на кабине камерой и лидаром, сканирует, получая текстурированную трехмерную модель камня.
Исходя из полученной модели вычисляется приблизительный вес и положение центра тяжести камня, после чего алгоритм определяет оптимальное положение и ориентацию каждого строительного блока в объеме будущей конструкции. И, наконец, основываясь на этом строительном плане, экскаватор выполняет расстановку элементов в нужном порядке.
Чтобы протестировать автономный робоэкскаватор в деле, инженеры сложили с его помощью две каменные стены. Первая представляла собой свободно стоящую на ровном бетонном основании стену длиной 10 метров, высотой 4 метра и толщиной 1,7 метра. Она состояла из 109 строительных элементов, а на ее возведение ушло около двух недель. Второй тестовой конструкцией стала стена переменного сечения и кривизны, подпирающая земляную пешеходную террасу в парке. При толщине 1,8 метра длина стены составила 65,5 метра, а ее высота в наивысшей точке — шесть метров. Для строительства робоэкскаватору понадобилось уложить 938 строительных элементов, 90 процентов которых составляли каменные глыбы и бетонные элементы со средней массой около тонны.
В результате на установку одного камня автономному экскаватору в среднем потребовалась 21 минута, что эквивалентно одному кубическому метру или 2,8 тонны укладываемого материала в час. При этом по оценке авторов во время строительства подпорной стены с помощью разработанного ими метода выделилось на 41 процент меньше углекислого газа в сравнении с обычным методом строительства из бетона.
Впрочем, если все же придется заниматься строительством из железобетона, то у швейцарских инженеров уже есть подходящий для этой цели робот. Прототип строительного робота под названием Mesh Mould помогает собирать армирующие стальные конструкции для заливки бетоном в автоматическом режиме по заранее заданному проекту.