机器人瓦工在哪里？

在研究建筑时，您总会发现任何新的或创新的想法实际上都经过反复尝试，通常可以追溯到几十年前。这些新的但实际上是旧的想法之一是机械瓦工的想法，这是一种自动化砌筑墙体的机器。很容易看出这个想法的吸引力 - 砖石建筑似乎几乎完全适合机械化 [0]。这是极其重复的——建造一座砖石建筑需要设置数万或数十万块砖或块，每块（几乎）相同，每块都以相同的方式设置。它似乎不需要复杂的物理运动——每块砖都涂上一层砂浆，然后简单地放置在前一块的旁边。并且因为每个砖和砂浆接缝的尺寸相同，所以放置几乎是确定性的——每块砖与前一块砖的固定距离相同。最重要的是，砌体，尤其是砌块砌体，是最体力劳动的建筑任务之一，因为它需要数小时和数小时的重复移动极重的物体。总而言之，砌体似乎是将任务移交给机器的完美选择，人们已经尝试了 100 多年。机器砌筑的第一次尝试可以追溯到世纪之交——我们可以找到 1899、1904 和 1924 年为机械砌砖工颁发的专利，这些专利都是由不同的人（其中一些人多年来一直致力于他们的想法） 1904 年获得专利，1918 年和 1926 年获得了额外的专利）。这些机器（理论上）会沿着墙的顶部运行，铺上一层砂浆，然后一次放一块砖。这些机器无法感知周围环境的任何信息，也无法测量砖块的位置——它们只是挤出一层砂浆，并定期以机械方式放置一块砖块。目前尚不清楚这些机器中有多少是超越绘图板的，但其中至少有一个（约翰奈特的）被用来建造一堵据称今天仍然屹立不倒的砖墙。在接下来的几十年里，同样的概念会再次出现几次——可以找到 60 年代和 70 年代发布的类似机器的专利。这段来自 1967 年“Motor Mason”的视频展示了一个在行动中 - 它与 1900 年代早期的努力并没有什么不同：这些对机械瓦工的尝试从未远远超出演示阶段，也从未取得任何商业上的成功。从 1980 年代末和 90 年代初开始，我们开始看到尝试将基于机械臂的砌体机械化。与之前纯机械的机器不同，这些机器具有信息处理组件。这些手臂不会盲目地重复相同的动作，而是将高度自由的机械臂与传感器和控制系统结合起来，以“看到”砖块，看到它需要去哪里，并故意抓住它并将其放在那里。

有一段时间，这是学术研究的一个完整子领域——我们可以在 Slocum 1988、Lehiten 1989、Rihani 1996、Altobelli 1993、Pritschow 1996、日本的 SMAS 和 ROCCO 系统中找到例子。但是，尽管付出了所有努力，但这些尝试的成功程度与之前的纯机械砌筑机器大致相同。大多数没有超过技术描述的水平（“这是你如何建造砖石机器人”），少数达到了原型的水平，但基本上没有取得任何进展。至少一位研究人员放弃了，宣称通用建筑机器人在可预见的未来是不可行的。我能找到的一个可能已用于生产的系统示例是 Multistone 8000，这是一个德国系统，可以在人工协助下，在类似工厂的环境中自动组装砌体墙板。多年来，砌体在发达国家作为一种建筑技术的重要性已经下降，随之而来的是对其自动化的兴趣。与混凝土 3D 打印不同，有数十种开发技术的尝试，我只能找到少数目前使砌体自动化的努力。其中最先进的似乎是 Fastbrick Robotics 的 Hadrian 系统。哈德良使用安装在卡车上的空心吊杆，通过它运输砌块（有点像混凝土泵车）。当木块到达吊臂末端时，它会喷上工业粘合剂（而不是传统的砂浆），然后由机械臂抓住，将其放置到正确的位置。与其他机械化砖石系统相比，这种吊臂的覆盖范围与车辆安装相结合，意味着哈德良在放置积木的位置方面的限制要少得多。它能够在狭窄的走廊或复杂的角落放置积木，而哈德良只需移动几下车辆就可以建造一座小建筑物的所有墙壁。 Hadrian 目前每小时可以设置大约 200 个街区，但他们的目标是能够每小时完成 1000 个街区或更多（它设置的街区与美国使用的砌块不同，但在美国，泥瓦匠可以在每天 400 个街区）。 Hadrian 自 2006 年以来一直在开发中，直到最近才开始用于商业工地——到目前为止，他们已经为澳大利亚的 3 或 4 座建筑物建造了砌块墙。作为一家公司，他们似乎遇到了一些困难（对于已经开发了 15 年以上的硬件系统来说并不奇怪），而且他们在 2020 年进行了一轮相当严重的裁员。但在过去的几年里几个月来，使用该系统构建的项目缓慢地涓涓细流。但我所知道的商业上最成功的机械化砌筑系统是 SAM，半自主砌筑。 SAM 是由 Construction Robotics 建造的砌筑机器人，自 2015 年以来一直用于商业项目。 与铺设砌块的 Hadrian 不同，SAM 铺设普通粘土砖 - 它由机械臂、砂浆分配器和传送带组成，安装在一个轮式底盘。机器人手臂抓住一块砖，在上面涂上一层砂浆，然后根据内部“砖图”将其放置在墙上，指示每块砖的位置。一旦砖就位，它就会重复这个过程，在建造墙壁时来回移动（需要人类泥瓦匠在墙壁的末端放置砖）。 SAM 有一系列传感器来补偿平台的移动并确保它放置砖块水平，并且可以处理所有不同尺寸的砖块（尽管它不会构建 CMU 块墙）。它被安装到一个可移动的脚手架上，随着墙壁的完工，该脚手架逐渐升高。与哈德良一样，SAM 似乎也遇到了一些困难。它可以在很长的墙壁上表现良好，但在较短的墙壁上，它的表现却难以超越人类泥瓦匠。它不能转弯，也不能完成砌体接缝。在最好的情况下，它的砌砖速度似乎比人类快 5 倍左右，但它需要泥瓦匠跟在它后面清洁接缝并偶尔平整砖块，并需要一名现场技术人员来处理技术问题。这本关于 SAM 发展的书记录了一个又一个的挑战，并以他们为之努力寻找买家而告终。 Construction Robotics 网站上的宣传材料表明，这不再是他们的主要关注点——更多的重点放在了他们的其他产品 MULE 上。

除了SAM和Hadrian，还有一些其他处于不同发展阶段的机械砌砖工。 Craftsmac 是一家来自印度的公司，最近刚刚宣布了一种用于建造 CMU 墙的机器人泥瓦匠——它看起来有点类似于 SAM，一种装有机械臂、传送带和砂浆搅拌器的轮式底盘。这个英国的机器人砌砖系统使用轨道安装系统龙门系统，它既可以让它转弯，又可以消除如何将机器人从一层移到另一层的问题（用它来换取必须预先组装系统的时间和费用）。 ROB 使用现成的机械臂来建造高度可变的砖石面板（尽管它似乎无法处理砂浆）。您还会看到偶尔的学术努力。总的来说，这个领域的努力清单很短。我们确实看到机械砌砖取得一些商业成功的一个领域是砖路——许多公司提供可以“打印”一段由砖砌成的道路的机器。正如我们之前看到的，道路建设比建筑施工更容易机械化。一种稍微不同的旨在提高砌体生产率的机器是我称之为“砌体助手”的机器。这些机器旨在协助物理提升砌块（它们似乎比砌块更常见于砌块）并减轻泥瓦匠的压力，同时仍允许泥瓦匠将其操纵到位 砌体助手的历史至少可以追溯到 1994 年，当时军方试验了 MAMA，即机电辅助梅森的援助。它由一个安装在履带式悬臂上的抓手组成。泥瓦匠可以使用夹具将块移动到位，而无需物理抬起它。从那时起，有几家公司开发了悬臂式夹持器理念的变体——Layher Balance、Rimatem 和辅助系统 Steinherr 是我能找到的一些记录。目前我所知道的唯一一个类似的系统是由 Construction Robotics 出售的 MULE（他们似乎比 SAM 更成功）。但这些砌体辅助系统中最有趣的可能是 FRACO 正在开发的外骨骼，去年刚刚发布。它改编自为军队开发的模型，并具有各种被动和主动提升机构，旨在减少操作积木时对泥瓦匠肌肉的压力。当然，帮助搬运重物的机器并不完全是革命性的——农业生产力文章的评论者指出，砌体生产力最重要的进步之一是伸缩式搬运机，它消除了手动移动托盘的必要在工地上挡住。砌体似乎是机械化的完美候选者，但一百年有限的成功表明它的某些方面阻止了机器轻松地做到这一点。这使它成为一个有趣的案例研究，因为它有助于准确定义机械化变得困难的地方 - 是什么让砌砖与锤打钉子如此不同，以至于后者几乎完全机械化而前者几乎完全手动？

似乎有几个因素在起作用。一个是砖或块不是简单地放在固体表面上，而是放在一层薄薄的砂浆上，砂浆是水、沙子和水泥材料的混合物。砂浆具有某种复杂的物理特性——它是一种非牛顿流体，当它移动或摇动时，它的粘度会增加。这使得难以以纯粹机械的、确定性的方式应用（也可能使泥瓦匠难以解释他们在做什么——看着他们放置它，你可以看到许多复杂的小动作，砂浆的行为有点像奇怪的不是很流畅但不是很坚固的方式）。而且由于砂浆是一种现场混合材料，因此批次之间的性能会有所不同。砌体机器一直在与砌体的砂浆方面作斗争；他们中的许多人只是忽略了问题的方面。 80 年代末和 90 年代初的学术研究通常基于使用无灰浆墙、不需要灰浆接缝的墙系统（例如表面粘合砌体）或表现更可预测的灰浆替代品（这是哈德良结束的使用）。在他 1996 年的论文中，Pritschow 直言不讳地说，试图解决处理砂浆的问题太困难了。已经想出如何可靠地涂抹砂浆的人仍然无法产生干净的砂浆接缝 - 他们只是在那里涂抹砂浆，要求工人跟随并清理它。在某些方面，像 SAM 这样的努力在这方面与 50 岁的 Motor Mason 并没有什么不同。砂浆接头使设置块更加复杂。而钉枪可以对钉子施加力并每次都获得相当均匀的结果（如果不能，这并不重要——如果钉子稍微歪斜，钉子仍然可以起作用），在一层场上设置一个块——混合非牛顿流体不是那么宽容。如果没有来自环境的一些反馈（测量设置的方块的水平度），就很难确定墙是水平建造的。人类泥瓦匠不断地用绳子或场地水平检查他们的砌块的水平度，以确保墙在建造时保持真实，并根据需要进行微调；机械泥瓦匠需要某种方式来做同样的事情。 SAM 似乎已经基本解决了这个问题，但仍然时常需要后面的工人来挖掘积木层。这是将钉钉与设置块区分开来的主要事情之一 - 根据环境反馈进行调整的必要性。诸如钉枪、圆锯和其他电动工具之类的东西在某种意义上更像是砌体助手——它们执行一些纯粹的体力任务，同时将所有信息处理和精确放置工作交给人类。钉枪不负责确定钉子需要去哪里，并将自身移动到位 - 它只是完成敲钉子的物理任务。路由器和铣床的历史提供了一个具有启发性的平行关系。第一个是在 1800 年代末/ 1900 年代初开发的，程序控制它们的能力是在 40 年代末/ 50 年代初开发的。但直到最近，我们才有能力整合实时反馈，从而支持 Shaper Origin（一种自动纠正人体动作的手持路由器）等产品。让机器根据周围环境做出强有力的反应仍然是一个复杂的问题，即使机器在物理上有能力做到这一点。砖块和积木又大又重，这意味着需要更大、更昂贵的机械来操纵它们（特别是如果你想快速操纵它们，因为力会随着加速度成比例）。在美国，砖石墙是用大量钢筋建造的，这对于简单的基于块的机器来说很难处理（在哈德良的项目中，钢筋是手动安装的）

出于规避风险的原因，很难让承包商接受您的技术 [1]。来自 Construction Robotics 的一段令人惊讶的坦率视频详细介绍了说服特定客户使用他们的系统有多困难，而关于该公司的书则详细介绍了许多更困难的销售。这是一个很难回答的问题。从根本上说，这似乎取决于机器人、软件、计算机视觉和其他技术（我将它们统称为“自动化”）的进展情况。尽管困难重重，但砌体比其他建筑系统更成功地实现了自动化——它是为数不多的用于建造它的商用机器人实际上在市场上广泛使用的系统之一。因此，自动化技术的进步可能最有利于砖石建筑，因为它可以说是最远的。如果自动化砌筑系统变得更小、更快、更容易处理角落和完成接缝，它可能会开始看起来像一个非常有吸引力的系统。然而，它也很容易成为涨潮掀起所有船只的场景——先进的自动化技术也可以很容易地应用于其他建筑系统（木材、钢铁等）。它变成了一个关于相对改进曲线是什么样子的问题——什么变得最快，这种情况保持多久？积木非常重，这意味着操纵它们的机器可能总是比操纵更轻的建筑系统的机器更昂贵。甚至大型街区也只占整个建筑的一小部分。因此，与其他建筑类型相比，自动化砌体系统最终可能会更昂贵且生产率更低。我们可以看到这样一种情况，即自动化砌体在很短的时间内变得非常流行/具有竞争力，但随着该技术适用于其他建筑系统，很快就会黯然失色。 [0] - 大致有两种不同的砌体。砖砌体，由粘土砖制成，混凝土砌体（CMU，或混凝土砌体单元），由空心混凝土块制成。粗略估计，在美国，砖砌体纯粹是装饰性的，不能支撑建筑物的重量。砌块砖用作承重结构。 [1] - SAM 书详细介绍了许多由流程更改引起的级联故障实例。在一项工作中，SAM无法砌砖，因为墙没有支撑，而且砌砖平台比公司习惯使用的砌砖平台重得多，而且墙的支撑力不足。整个项目都放慢了速度。在另一个项目中，泥瓦匠意外地改变了砖块的尺寸，这导致 SAM 减慢了速度，这迫使他们重新创建用于对机器进行编程的砖块图。