近年来受生育率下降、人类与其寿命延长以及大量人口不如老龄阶段等因素影响，全球人口结构已发生改变，持续的人口老龄化带来劳动力短缺、人力成本上升等问题，应对日益加剧的人口老龄化问题已成为很多国家的重大挑战。

在建筑行业，人口老龄化所带来的劳动力缺失对行业的影响尤甚。建筑行业作为一个劳动密集型行业，对人力资源有大量需求。由于建筑行业工作条件艰苦、劳动强度大灯因素，很多人不愿意从事该行业。而与之相悖的是，建筑行业发展迅速、对工人的需求量不断增加。建筑行业要想进行更深度发展推行机械化、智能化转型升级已迫在眉睫。

新型自主机器人挖掘机HEAP

据最新一期《科学·机器人学》报道，瑞士苏黎世联邦理工学院开发出一款新型自主机器人挖掘机HEAP，其可扫描、数字清点和堆垛材料，包括巨石和再生混凝土。在没有人类操作员帮助的情况下，这个12吨重的机器人构筑了稳定、无砂浆的石墙，并在此过程中开发了它所用材料的3D存储库。如果原来的墙壁不用了，这些材料可以很容易地回收和重新利用。

研究团队此次创造的自主机器人使用LiDAR测绘、图像分割和规划算法来建造结构合理的石墙。通过传感器，该挖掘机可自动绘制施工现场的3D地图，并定位用于建造墙体的现有建筑块和石头。专门设计的工具和机器视觉方法，使挖掘机能够扫描并抓取周围环境中的大石头，并记录它们的大致重量以及重心。算法确定每块石头的最佳位置，然后挖掘机通过将石头放置在所需位置来自行执行任务。根据这些计划，它组装了一堵10米长的独立墙和一堵65米长的挡土墙。

虽然这台机器放置每块石头的平均时间要比一群人长1.2分钟，但现场需要的人员非常少，这表明它有潜力解决当前劳动力短缺问题。此外，它制作的石墙可根据需要拆除和重新利用，有助于实现循环建筑。

研究人员表示，与性能相似的钢筋混凝土墙相比，新工艺减少了41%的碳当量。而除了提高建筑的经济和生产效率外，机器人还提供了一个途径，即通过直接使用本地的、低能耗的、天然和可回收的材料作为混凝土的替代品，减少了该行业的环境足迹。

每小时可建成 1.1 m 的成品墙面

据了解，自动挖掘机HEAP是一款改装的12吨步行式机器人挖掘平台，在驾驶室和臂上配备了多个 LiDAR 传感器和摄像头，能够利用当地可用的、未改性的天然和回收材料建造大型石墙和景观，并允许使用光检测和测距（LiDAR）映射、学习图像分割、掌握启发式和分类来从高度异质的石头构造任意弯曲和明确定义的墙壁形状，以隔离、数字化和操作非结构化中的石头实例环境。

通过实验测试并结合扫描和放置程序的平均持续时间证实，自动挖掘机HEAP目前每次放置石块需要 21 分钟。考虑到石块的尺寸，自动挖掘机HEAP每小时可放置1 m 或 2.8 吨材料。考虑到试验所建石墙的平均壁厚和空隙率，排除预备阶段的石块扫描，自动挖掘机HEAP每小时可建成 1.1 m 的成品墙面。

通过多次验证该研究团队证明，自动挖掘机HEAP单日连续放置 28 颗石块的平均放置率高达 12.2 分钟，即平均每颗石块放置时间为5分钟左右。为了进行比较，研究团队就经验丰富的挖掘机操作员在地面上建造单层墙时的速度进行了现场考察，结果显示，熟练挖掘机操作员每块石头的平均放置速度为 11 分钟：自动挖掘机HEAP目前在放置速度方面优于人类挖掘机操作员。

但操作员通常需要绳索和油漆参考来记录其构造，并且通常需要机器外的第二人或第三人来提供指导并用手和铲子插入小支撑石、砾石和土壤。相比之下，使用自动挖掘机HEAP不仅可以构建复杂的非平面全局表面几何形状，在使用过程中也无需物理参考标记，不需要熟练的驱动程序或小支撑石，且自动挖掘机HEAP还可以提供建筑结构的完整数字孪生，以实现对工程建造进度与方向的更好监督。

此外，由于材料规模较大，相对于熟练石匠工建造两层鹅卵石墙速度而言，使用自动挖掘机HEAP的建造速度明显快于每人每天 2 吨的手动建造速度。

通过使用自动挖掘机HEAP运用几乎不需要运输和预处理的材料建造独立式石墙（10 米 x 1.7 米 x 4 米）和永久性挡土墙（65.5 米 x 1.8 米 x 6 米）与机器人轮廓露台（665 平方米），研究团队也展示了自动挖掘机HEAP利用高度不规则、丰富且可持续的材料进行适应性建造的潜力。

实现对现场资源的高效利用

建筑业占全球生产总值的10%以上。然而，在过去20年中，建筑业的劳动生产率平均每年仅增长约1%。因此，该行业一方面面临不断增长的需求，一方面又缺乏满足这些需求的资源。此外，该领域每年还在全球范围内产生超过3000亿吨的废物，阻碍了可持续发展的努力。

团队所提出的施工和景观美化解决方案是在闭环中执行的，其中累积的激光雷达地图用于石料建筑中竣工结构的 ICP 细化或测量挖掘中所需地形和实际地形之间的位移。这个单一平台能够处理多种原位颗粒材料，其规模范围从粘土（中间轴长d I < 0.004）到粗砾石（d I ≈ 2 m）。这项工作促进了永久性和高性能干石墙的全面机器人施工，利用多模式工具（夹具和铲子），自动挖掘机HEAP在单个工地上可完成基础设施规模的景观美化和建筑任务。

为了实现自动挖掘机HEAP使用原材料和回收材料也可进行施工，研究团队对以往已有相关研究进行了改进，实现了在施工过程中自动数字化对象，并不断更新建筑平面图，从而通过考虑沉降并确保单个建筑元素损坏或丢失时的稳健性来减少建造过程中失误的出现与积累。

基于团队早期在几何规划、石头分割和抓取方面的工作，该研发团队提出了一个能够在野外自主检测、抓取、扫描和重新定向石头的综合系统。该系统可使几何规划器能够优化稳定和稳定的石头。自动挖掘机HEAP的研发不仅实现了对现场资源的高效利用，同时也为普通建筑工程劳动力替代和偏远地区施工提供了有效解决方案。

文章来源： 机器人大讲堂，北青网