Industria Construcțiilor are o importanță economică primară pentru multe sectoare industriale. Concurența intensă, lipsa forței de muncă bine calificată și progresele tehnologice forțează o schimbare rapidă în industria construcțiilor, motivând astfel automatizarea construcțiilor. Pornind de la această constatare, se poate anunța inventarea unui excavator robotizat care se află acum în faza de testare. Noutatea a fost prezentată în articolul de specialitate ”Robotic excavation in construction automation” publicat de curând în revista Robotics & Automation Magazine,de inginerul australian Quang Ha, de la University of Technology Sydney.

Este fezabil?

Mașinile de mutat pământul, cum ar fi buldozerele, încărcătoarele pe roți, excavatoarele, răzuitoarele și nivelatoarele, sunt frecvente în construcții. Operațiunile pe bază de excavare sunt utilizate în general la mutarea pământului, la săpături și la alcătuirea grămezilor pentru a deplasa cantități mari de material. La o scară mai mică, operațiuni precum șanțurile și formarea de fundații pentru piloane necesită o excavare controlată cu precizie.

Deși șantierul complet automatizat este încă un vis al unor ingineri civili, evoluțiile cercetărilor au arătat promisiunea roboticii și automatizării în construcții. În ciuda importanței economice aparente a săpăturilor în construcții, au existat puține implementări de excavatoare autonome sau teleoperate. O serie de cercetători au investigat fezabilitatea automatizării excavării. Multe dintre aceste studii au abordat posibila utilizare a excavatoarelor autonome în timpul fazelor fără pilot de înființare a stațiilor de cercetare lunare sau marțiene cu echipaj.

O mare parte din lucrările de excavare terestră s-au concentrat pe teleoperare, mai degrabă, decât pe cerințele de sistem pentru operare autonomă. Deși au existat o serie de contribuții teoretice și experimentale valoroase în domeniul săpăturilor autonome, robotice sau teleoperate, funcționarea autonomă a unui excavator la scară largă nu a fost demonstrată comercial. Multe dintre studiile experimentale raportate în literatură implică utilizarea unor roboți industriali convenționali echipați cu cuve, pentru a excava într-un pat de nisip liber.

Diferențe pronunțate

Deși există paralele între robotica clasică și excavarea robotică, există și unele diferențe pronunțate. În special, un excavator nu este fixat în raport cu piesa de prelucrat. El deformează plastic piesa de prelucrat prin aplicarea unor forțe mari, cauzată de mișcarea față de sol determinată de aceleași forțe mari. Mai mult, planificarea strategică și a traiectoriei trebuie să aibă loc într-un mediu dinamic. Dacă excavatorul nu schimbă profilul solului care se lucrează, nu face lucrări utile.

Cercetătorii australieni au ajuns la câteva rezultate certe ale proiectului de excavare autonomă, realizat la Centrul australian pentru robotică de câmp (ACFR), cu accent pe automatizarea construcțiilor. Aplicarea tehnologiei robotizate și controlul computerului este o cheie pentru automatizarea industriei construcțiilor. Automatizarea excavării este o sarcină multidisciplinară, care cuprinde un domeniu larg de cercetare și dezvoltare, care cuprinde:

-planificarea

-monitorizarea

-detectarea și modelarea mediului

-navigarea

-modelarea și controlul mașinilor.

Scopul final al proiectului de excavare ACFR a fost acela de a demonstra executarea complet autonomă a sarcinilor de excavare care nu sunt obișnuite, cum ar fi încărcarea unui camion sau săparea unui șanț. O serie de probleme teoretice și practice dificile trebuie rezolvate pentru a atinge acest obiectiv. Problemele se împart în trei grupe principale: planificarea săpăturilor, detectarea și estimarea și controlul.

Excavatorul robotizat experimental

Un număr de studii experimentale de excavare robotică au fost realizate prin utilizarea unui robot industrial convențional prevăzut cu o găleată ca efect efect. Deși această abordare a dat informații valoroase, suntem ferm convinși că tehnologia tipică a ”excavatorului” ar trebui utilizată pentru a dezvolta capacități de excavare autonome. În consecință, s-a folosit un mini-excavator hidraulic Komatsu PC05-7, ca bază pentru lucrările noastre experimentale.

Această mașină de 1,5 tone a fost modificată extensiv, pentru a îndeplini cerințele proiectului de cercetare și dezvoltare. Excavatorul experimental are opt elemente de acționare hidraulice: motoare de deplasare dreapta și stânga, un motor de rotire a cabinei și cilindri hidraulici cu două căi pe osiile brațului, brațului, brațului de cotă, cupei și axelor lamelor de umplere din spate.

Cabina excavatorului și toate pârghiile de funcționare au fost îndepărtate și supapele originale de control al direcției acționate manual au fost înlocuite cu servovalve electrohidraulice. Echipamentele auxiliare adăugate pentru a susține servovalvele includ un acumulator cu o supapă de descărcare, supape de control solenoid și un radiator ulei-aer. Controlul se realizează prin intermediul controlerelor digitale proprietare Moog, împreună cu un computer industrial compatibil IBM. Sistemul este complet autonom, cu energie electrică derivată din sistemul electric al excavatorului.

Rezultate promițătoare

Atunci când operează un excavator, un om folosește simțuri precum vederea și auzul, împreună cu raționamente bazate pe cunoștințe și experiență pentru a controla și monitoriza procesul de săpare. În excavarea robotizată, detecția, modelarea și luarea deciziilor trebuie utilizate în locul operatorului și hardware și software. Un număr de senzori de vehicule și de mediu sunt montați pe excavatorul robotizat experimental.

Sistemul hidraulic este echipat cu traductoare care măsoară presiunile actuatorului și pozițiile bobinei supapei. Senzorii de forță pentru măsurarea tensiunii permit măsurarea directă a forței în timpul săpării. Detectarea mediului extern al mașinii este esențială pentru planificarea și controlul mișcării platformei și a operațiunilor de săpat autonome și pentru monitorizarea progresului către finalizarea sarcinilor. Un sistem comercial de măsurare cu laser a timpului de zbor este utilizat pentru a scana terenul de pe ambele părți ale cupei, oferind un profil de suprafață cu rezoluție de 10 mm și o eroare statistică de ± 15 mm într-un interval de detectare de 1-8 m.

Un aspect important

Estimarea parametrilor și identificarea sistemului este un aspect important în excavarea robotizată. Deși un număr de stări din spațiul stării de control sunt măsurate direct de senzorii mașinii, este necesară estimarea unor stări inaccesibile,  în scopuri de control și monitorizare. Mai mult, este, de asemenea, necesitatea estimării forțelor incerte care decurg din interacțiunea dintre găleată și sol și alte perturbații externe, cum ar fi fricțiunea și schimbările de inerție a sarcinii, pentru a le respinge influența și a obține performanțe robuste. Poate fi utilizată o varietate de tehnici de estimare solide. În general, termenul de ”estimare robustă” se referă la proiectarea senzorilor și receptorilor determiniști, în prezența incertitudinilor sistemului, a întârzierilor, a erorilor de modelare, a tulburărilor și a altor factori necunoscuți.

Observatorii care se bazează pe sisteme de structură variabilă sunt de interes, deoarece pot furniza estimări solide. O abordare a sistemelor cu structură variabilă pentru estimarea și compensarea fricțiunii a fost propusă și aplicată sistemelor servo electrohidraulice, pentru respingerea perturbațiilor externe în forță și controlul poziției excavatorului robotizat.

Presupunând că forța de perturbare variază încet în timp, modelul de stare pentru mișcarea 1-D, ocazionată de o forță de acționare w poate fi descrisă ca ridicând numeroase probleme, fapt care determină, deocamdată, un control scăzut al robotului de excavare. Dar, în general, rezultatele au fost promițătoare, inginerii australieni continuând proiectul până la realizarea unui utilaj robotizat viabil, din punct de vedere comercial.