Robotista tulee rakentaja

Tulevaisuuden rakennus­työmaalla nosturi kulkee tietokoneen ohjaamana ja robotti muuraa tuhat tiiltä tunnissa. Tekoälyn avulla on jo rakennettu taloja, ja pian työmaille on odotettavissa uutta konevoimaa.

Tulevaisuuden rakennus­työmaalla nosturi kulkee tietokoneen ohjaamana ja robotti muuraa tuhat tiiltä tunnissa. Tekoälyn avulla on jo rakennettu taloja, ja pian työmaille on odotettavissa uutta konevoimaa.

Shutterstock

Rakennustyömaalta kuuluu kaivinkoneen ja betonimyllyn jyrinää ja työkalujen kolketta. Yhteen taloon tehdään kattoa, ja naapuritontilla valetaan perustuksia. Kolmannessa talossa ruuvataan kipsilevyjä. Paikalla ei ole yhtään ihmistä.

Kaiken työn – perustusten valusta kattotiilien latomiseen – tekevät robotit, ja työn etenemistä valvovat kameralennokit.

Tällaiset rakennustyömaat voivat olla todellisuutta jo lähitulevaisuudessa

/ 5

Kaivinkonekuski

Kuopan perustuksia varten kaivaa tieto­koneen ohjaama kaivinkone. Apunaan sillä on GPS-paikannin ja antureita, jotka seuraavat kallistusta ja kiihtyvyyttä.

1

Työmaavalvoja

Kameralennokki valvoo työmaata. Lennokin tietokone analysoi kameran kuvia algoritmeilla, jotka on opetettu tunnistamaan eri materiaaleja ja kuvioita.

2

Muurari

Rakentajarobotin konekäsi muuraa tuhat tiiltä tunnissa. Konekäsi tarttuu tiileen, levittää laastin ja panee tiilen paikoilleen yhdessä liikeradassa.

3

Elementtiasentaja

Tietokoneen ohjaama elementtiasentaja asentaa kipsilevyistä väliseinät. Robotti suunnistaa laserilla, jonka säteen heijasteesta se tietää etäisyyden esteisiin.

4

Katonrakentaja

Robotti asentaa kattotuolin paikoilleen. Algoritmit kertovat kone­käsille, miten kattotuolin osat sahataan ja kootaan kantavaksi rakenteeksi.

5
©

Tieto­koneiden ja tekoälyn ohjaamat ja erilaisilla antureilla ympäristöään tarkkailevat robotit selviävät muuraamisesta, seinien pystyttämisestä ja katon laittamisesta yhtä hyvin kuin ihmisrakentajakin, ja ne voivat tehdä pidempää päivää kuin ihminen.

Robotit ovat jo näyttäneet kykynsä talonrakennuksessa. Sveitsissä avattiin viime helmikuussa DFAB House -talo, jonka kaikki osat ovat robottien rakentamia. Myös vuonna 2022 avattava Soulin robottimuseo Etelä-Koreassa on suunniteltu annettavan robottien tehtäväksi.

Robottitekniikan kehittyminen tekee talonrakennuksesta helpompaa. Kehitystä ajaa myös se, että asuntorakentamisen tarve kasvaa voimakkaasti. Yhdistyneiden kansakuntien laskelmien mukaan vuoteen 2030 mennessä tarvitaan uusi asunto kolmelle miljardille ihmiselle eli 40 prosentille ihmiskunnasta.

30 minuutissa lennokki kokoaa tarvittavat tiedot 20 000 neliömetrin tontista.

Konevoimin toimivat rakennustyöläiset eivät suoriudu vain kaikista fyysisistä rakennustehtävistä, vaan ne oppivat ennen pitkää myös arkkitehdin ja työnjohtajan taidot. Robotteja on siis tulossa myös piirtämään taloja ja valvomaan rakennustöiden edistymistä.

© daqri

Algoritmi arkkitehtinä

Ennen pitkää tekoäly voi ottaa tehtäväkseen monta tehtävää, jotka nyt kuuluvat arkkitehdin toimenkuvaan. Kun tietokoneeseen syötetään tiedot tuhansista rakennushankkeista, tekoäly voi tuottaa annettujen ohjeiden pohjalta ehdotuksen rakennuksesta.

Kone voi oppia vanhojen hankkeiden perusteella esimerkiksi, mitkä materiaalit sopivat tiettyihin muotoihin, miten putket pitää
sijoittaa ja miten paksu katon tai eristeen tulee olla.

Kun kolmiulotteinen malli on valmis, se voidaan siirtää vaikka langattoman verkon kautta työmaalle roboteille, jotka alkavat toteuttaa suunnitelmaa.

Konekädet maalaavat autoja

Robotit ovat jo vuosikymmeniä olleet teh­dastyöläisiä. Esimerkiksi autoteollisuudessa on 1970-luvulta asti käytetty hitsaus- ja ruiskumaalausrobotteja autonkorien valmistuksessa.

Robotti päihittää ihmiskollegansa muun muassa siinä, että se pystyy toistamaan samaa liikesarjaa tarkkuuden kärsimättä vuorokauden ympäri eikä se valita väsymystä eikä saa kulumia. Robotti suoriutuukin yksitoikkoisista työtehtävistä tehokkaammin kuin ihminen.

Tehdas on tuotantoympäristönä ennustettava. Siellä toistuu tietty valmistusprosessi, jossa osat tulevat sisään järjestelmän toisesta päästä ja toisesta päästä putkahtaa ulos valmis tuote. Tällaisessa ympäristössä on helppo panna robotti esimerkiksi poimimaan osia tai tuotteita liukuhihnalta ja pakkaamaan niitä laatikoihin.

© Shutterstock

Rakennustyömaa sen sijaan on muuttuvainen ympäristö. Rakennustyömaalla työkoneet ja rakennusmateriaalit voivat tukkia robotin suunnitellun liikeradan, suunnitelmia pitää usein tarkistaa lennossa, kun aikataulu menee uusiksi tai sääolosuhteet pakottavat muuttamaan tehtävien järjestystä.

Siksi rakennuksilla monet työt tehdään yhä ihmisvoimin, vaikka apuna on työkaluja ja koneita.

Laserista robotin silmät

Viime aikoina tekniikan kehitys on tehnyt roboteista paljon aikaisempaa joustavampia ja itsenäisempiä. Keskeinen tekniikka robotiikan kannalta ovat niin sanotut sulautetut järjestelmät, jotka ovat tehostuneet huomattavasti.

Sulautettu järjestelmä on kone, jonka olennainen osa on sitä ohjaava tietokone. Tavallinen tietokone sen sijaan on oma erillinen laitteensa. Sulautettuja järjestelmiä ovat nykyään esimerkiksi liikennevalot ja lentokoneiden navigointilaitteet.

Nykyään sulautettujen järjestelmien tietokoneet pystyvät suorittamaan raskaitakin tehtäviä, kuten video­kameran kuvan analysointia, jonka avulla robotit tunnistavat työmaalla rakennus­materiaalit ja työkalut.

Kone kaivaa kuopan perustuksille

/ 3

Kauha seuraa bittejä

Ohjaustietokone laskee, miten kaivinkoneen kauhaa pitää liikuttaa. Anturit seuraavat koneen kallistuskulmaa ja kiihtyvyyttä. Tieto­kone muuttaa anturien tiedot
liikekomennoiksi kaivinkoneelle. Niiden perusteella kauhan liikkeitä voidaan säätää jatkuvasti.

1

Ohjaustietokone katolla

Robottikaivinkoneen varsinainen ohjaamo on katolla oleva laatikko, jossa on ohjaustietokone. Se seuraa koneen kameroiden syöttämää kuvaa ja ohjaa kaivinkoneen esteiden ohi. Jos suunnitellulle reitille ilmestyy esimerkiksi ihminen, tietokone pysäyttää telaketjun automaattisesti.

2

Virtuaaliset rajat

Ohjaustietokoneeseen on syötetty koordinaatit, joiden perusteella se pitää kaivinkoneen oikealla alueella. Koneen sijainti määritetään GPS-paikantimen ja optisten anturien avulla. Kone voi tehdä 20 x 20 metrin kuopan 1–2 sentin tarkkuudella.

3
© built robotics inc.

Samaan aikaan sensori- ja anturitekniikka on mennyt eteenpäin. Esimerkiksi lidar- eli valotutkatekniikan avulla robotti saa kolmiulotteisen kartan ympäristöstään.

Lidaranturi lähettää valoa, joka heijastuu takaisin törmätessään esteisiin. Valonsäteen heijasteen nopeudesta ja laadusta tietokone pystyy päättelemään ympäristön kohteiden etäisyydet ja muodot.

Lidar-tekniikkaa käytetään jo nyt robotti­autoissa, ja pian se voi auttaa robotteja liikkumaan rakennustyömailla

Jos robottikaivinkone ylittää sille ohjaustietokoneeseen määritetyn virtuaalisen rajan, se lopettaa kaivamisen ja korjaa asentonsa.

© Built robotics inc.

Lennokki valvoo kaivinkonetta

Nyt näyttää siltä, että tulevaisuuden rakennustyömailla robotit voivat hoitaa hommat perustusten kaivamisesta alkaen.

Japanilainen työkonevalmistaja Komatsu on automatisoinut koko perustusten kaivuprosessin rakennusalueen mittaamisesta ja suunnittelusta kuopan kaivamiseen.
Yhtiön mukaan aiemmin 20 000 neliömetrin suuruisen alueen mittaamiseen ja maastonmuotojen kartoittamiseen meni ihmistyöntekijöiltä jopa kolme päivää. Nyt kameralennokeilla ja satelliittipaikannukseen perustuvalla reaaliaikaisella kinemaattisella mittauksella alueesta saadaan yksityiskohtainen 3D-kartta puolessa tunnissa.

Reaaliaikaisessa kinemaattisessa mittauksessa GPS-satelliittien signaalien antamien koordinaattien tarkkuutta parannetaan vertaamalla niitä itse rakennuspaikalla olevan antennin signaaliin.

Paikallisen antennin signaalin perusteella voidaan korjata satelliittimittauksen pienet epätarkkuudet. Näin saavutetaan jopa senttien tarkkuus, kun satelliittipaikannuksessa tarkkuusluokka on yleensä metrejä.

© shutterstock

Lennokki valvoo työmaata

Kanadalaistutkijat ovat kehittäneet kauko-ohjattavia lennokkeja, joiden tehtävänä on kuvata rakennustyömaata ilmasta ja analysoida kuvia.

Lennokit tunnistavat erilaisia materiaaleja ja kuvioita ja voivat niiden pohjalta päätellä esimerkiksi muuraus- ja eristetöiden edistymisen.

Lennokki vertaa kameransa kuvia 3D-rakennus­piirustuksiin ja koodaa valmistusasteen värein. Sen jälkeen se voi antaa rakennustyömaan roboteille uudet toimintaohjeet.

Kameralennokin 20 megapikselin kamera ottaa kuvan joka sekunti ja liittää siihen GPS-paikannustiedot.

Tietokone kokoaa näistä 3D-kartan, jonka se siirtää Komatsun robottikaivinkoneelle. Samalla kaivinkone saa tiedon, mistä ja miten paljon pitää kaivaa maata. Näillä tiedoilla evästettynä kone ryhtyy töihin. Ihmistä ei ohjaamossa tarvita.

3D-tulostimesta talo päivässä

Kun tontti on suunniteltu ja perustukset valettu, automatisointivuorossa on seinien rakentaminen. Siihen on pestattu robottteja. Ne soveltavat 3D-tulostusta, jolla tähän asti on totuttu tuottamaan enimmäkseen pieniä kappaleita.

3D-tulostus on niin sanottu materiaalia lisäävä valmistustekniikka. Printteri tulostaa materiaalia kerros kerrokselta, kunnes koossa on esimerkiksi seinä.

Yhdysvaltalaisyhtiö Contour Crafting on kehittänyt nopeasti kuivuvaa betonia tulostavan printterin, jonka tulostinpää liikkuu kiskoilla pituus-, sivu- ja pystysuunnassa. Tavoitteena on, että samaan syssyyn saataisiin tulostettua seinään myös betonin raudoitus ja sähkö­johdot.

Yhtiön mukaan 3D-tulostuksella voidaan saada 24 tunnissa valmiiksi 180 neliömetrin talo. Tavanomaisilla menetelmillä sellaisen rakentaminen kestää ainakin puoli vuotta.

Robotti muurarina

3D-printteri ruiskuttaa betonia tulostuspäästään, mutta rakennustyömaalle voidaan lähettää myös robotti, joka latoo perinteiseen tapaan tiiliä päällekkäin.

SAM100-robotti koostuu konekädestä, joka poimii tiilen kuljetushihnalta, levittää laastia ja panee tiilen paikoilleen. Muurausnaruna, jonka mukaan robotti asettaa tiilet, toimii työpisteen molemmilla puolilla olevan laserin lähettämä valonsäde. Robotin algoritmi ohjaa konekäden nopeutta ja kulmaa virtuaalisen narun mukaan.

Australialainen Hadrian X -robotti on ennätysripeä muurari. Sen konekäsi määrittää sijaintinsa laserin avulla ja latoo tuhat harkkoa tunnissa. Robotti valaa 12 kertaa tiilen kokoiset harkot kevytbetonista, joka kuivuu 45 minuutissa.

© claus lunau & fbr ltd

Laser ohjaa

Robotin konekäden asentoa säädetään jatkuvasti laserin avulla. Laserista kiintopisteeseen kulkevan säteen mukaan voidaan laskea käden tulo­kulma ja etäisyys. Tarkkuus on millimetriluokkaa.

© claus lunau & fbr ltd

Laasti paikoilleen

Betoniharkkoja syntyy jatkuvalla syötöllä konekäden sisällä. Kun harkko on valmis, konekäsi levittää siihen laastia ja kääntää harkon niin, että konekäden päässä oleva tarttumaelin voi nostaa sen.

© claus lunau & fbr ltd

Harkot päällekkäin

Tarttumaelin yltää jopa 30 metrin päähän. Se riippuu vapaasti ja pysyy vakaasti pystysuorassa riippumatta muiden osien liikkeistä. Se kääntää harkon oikein päin ja panee sen paikoilleen.

Robotin kehittäneen Construction Robotics -yhtiön mukaan SAM100 nelin- tai jopa viisinkertaistaa ihmismuurarien työn, koska heidän tehtäväkseen jää vain robotin pystyttäminen toimintakuntoon, tiilien ja laastin syöttäminen robotille ja robotin latomien tiilien saumaaminen.

SAM100 voi latoa päivässä jopa 3 000 tiiltä. Ihmismuurari yltää noin 500 tiileen päivässä.

Robotti asettaa kipsilevyt paikoilleen

Kartta päivittyy joka 3. sekunti

Roboteilta sujuu myös väliseinien pystyttäminen. Japanissa on kehitetty ihmishahmoinen HRP-5P-robotti, joka voidaan ohjelmoida hakemaan ja ruuvaamaan paikoilleen kipsilevyjä.

Robotin raajojen moottorit ja nivelet antavat sille suuremman toimintakulman ja kantokyvyn kuin ihmisen nivelet ja lihakset.

HRP-5P on 182 senttiä pitkä ja painaa 101 kiloa. Pään kamera tunnistaa muun muassa ruuvinvääntimen.

© aist

HRP-5P suunnistaa lidar-tekniikan avulla. Lidarin laseranturi mittaa etäisyyden ympäristön kohteisiin ja tuottaa sen perusteella kolmiulotteisen kartan ympäristöstä.

Kartta päivyttyy kolmen sekunnin välein. Kartan avulla robotti löytää perille silloinkin, kun se nostaa kipsilevyn eteensä ja peittää päässään olevan kameran näkökentän.

© aist

Robotti suunnistaa värikoodien mukaan

Robotti HRP-5P osaa ottaa kipsilevyn pinosta, asettaa sen seinää vasten yhdellä kädellä ja ruuvata sen paikoilleen toisella kädellä. Elementinasentajarobotti suunnistaa laserilla, joka lähettää valoa joka suuntaan ja mittaa sitten heijasteesta etäisyyden eri pisteisiin. Etäisyyksien perusteella se laatii ympäristöstä värikoodatun kartan.

Jotta robotti voi asentaa kipsilevyn paikoilleen, sen on osattava valita oikea työkalu. Ihmisaivojen toimintaa kopioivien neuroverkkojen avulla sen ohjaustietokoneen
tekoälyohjelma oppii erottamaan esimerkiksi ruuvinvääntimen vasarasta.

Robotit rakensivat talon

Rakennusrobottien uusi sukupolvi on jo päässyt näyttämään taitonsa. Dübendorfissa Sveitsissä valmistui helmikuussa 2019 niin sanottu DFAB House.

Se on talo, joka on rakennettu lähes pelkästään robottien voimin. Kantavia seiniä varten robotti hitsasi metallilangasta ristikon, joka täytettiin betonilla.

Betonilevy, jonka päällä talon toinen kerros lepää, tulostettiin 3D-printterillä. Kattoristikon puurakenteet sahattiin, porattiin ja koottiin robottivoimin.

24 tunnissa 3D-printteri voi tulostaa kokonaisen talon.

Seuraava vaihe on opettaa robotit asentamaan vesi- ja viemäriputkia ja sähköjohtoja. Avuksi käytetään niin sanottua tietomallintamista, jossa rakennuksen osista ja niiden ominaisuuksista luodaan digitaalinen kolmiulotteinen malli.

Digitaalinen tietomalli voi käsittää koko talon, jolloin siinä näkyvät paitsi seinät ja katto myös esimerkiksi putkien ja johtojen sijainnit. Sitä mukaa kuin rakentaminen edistyy, malli päivittyy ja robottien liikkeitä voidaan säätää.

Robotti sahaa palkit oikean mittaisiksi, asettaa ne oikeisiin paikkoihin, poraa niihin reiät ja kokoaa ne ristikoksi, joka kannattelee talon vesikattoa.

© Roman Keller/NCCR Digital Fabrication

Robotti sahaa palkit

Robotti tekee pyörösahalla palkeista oikean mittaisia. Robotin konekäden asentoa säädellään etäisyyttä ja kallistusta mittaavilla optisilla antureilla. Samalla toinen konekäsi poraa palkkeihin reiät.

© Roman Keller/NCCR Digital Fabrication

Algoritmi ehkäisee törmäykset

Katontekijärobotin konekäsiä komen­tavan ohjaustietokoneen algoritmi korjaa jatkuvasti käsien asentoa ja keskinäisiä liikkeitä samalla, kun kädet asettelevat kattopalkkeja paikoilleen.

© Roman Keller/NCCR Digital Fabrication

Konekädet kokoavat ristikon

Robotit asettavat palkit tarkkaan laskettuun ristikkokuvioon, joka on suunniteltu niin, että silloin kattoristikko voi kannatella kattoa ilman erillisiä tukilevyjä ja kiinnikkeitä. Näin säästyy aikaa ja materiaaleja.

© Roman Keller/NCCR Digital Fabrication

Kun ristikon palkit on kiinnitetty

Kun ristikon palkit on kiinnitettytoisiinsa, ristikko voidaan nostaapaikoilleen. Dübendorfissa Sveitsissä sijaitsevan DFAB House-talon kaikki osat ovat robottien työtä.

Robotit rakentamaan Marsiin

Rakennusroboteilta odotetaan muutakin kuin maanpäällisen asuntopulan ratkaisua. Pitkän aikavälin suunnitelmissa niillä on työmaana koko Aurinkokunta, muun muassa Mars.

Siellä kaasukehä on niin ohut, että se päästää planeetan pinnalle vaarallisen paljon säteilyä. Siksi tuleva Mars-retkikunta tarvitsee suojakseen tukikohdan.

Rakennusmateriaalien lennättäminen Marsiin on kallista, sillä jokaista rahtikiloa kohti tarvitaan yhdeksän kiloa polttoainetta. Nykytekniikalla onkin mahdotonta lähettää Marsiin yhtä aikaa retkikunta ja tukikohdan rakennusaineet ja työkoneet.

Niinpä tarkoitus on lähettää Marsiin ensin robotteja rakentamaan tukikohta valmiiksi.

Vasta sitten ihmiset laskeutuvat naapuriplaneetalle Nasa kehittää yhteistyössä AI SpaceFactory -yhtiön kanssa 3D-tulostimia, jotka voivat rakentaa tukikohdan Marsiin.

Tulostusmateriaali on tarkoitus valmistaa Marsin pinnalla olevasta basaltista ja biomuovista, joka tuotetaan Marsissa viljeltävistä kasveista.

Materiaalin on määrä suojata tukikohdan asukkaita kosmiselta säteilyltä ja äärimmäisiltä lämpötiloilta.

Seuraavassa vaiheessa robottien on määrä rakentaa tukikohdat muille planeetoille, kuihin ja asteiroideihin valmiiksi odottamaan avaruuden valloittajia.