BYGGROBOT FÖR SPACKLING OCH MÅLNING

Bakgrund

I början av 1992 startade ett utvecklingsprojekt med målsättningen att utveckla en robotprototyp för spackling av betongväggar och betongtak.

Huvudansvarig och projektledare för projektet har varit BELAB. Projektet har genomförts med en projektgrupp bestående av:

DANEX  Maskinutveckling 
Tekniska Högskolan i Luleå  Styr/navigerings algoritmer 
Nordsjö Nobel AB  Spackelmaterial utveckling 
Serpo AB (Dalaspack)  Spackelmaterial utveckling 
BELAB  Projektledning och utveckling av materialdistributionssystem 

Projektet har finansierats med bidrag från Arbetsmiljöfonden, Byggforskningsrådet, Måleriutveckling samt av Nordsjö Nobel AB och Serpo AB. 

Bakgrunden till projektet är en studie genomförd av en av de största byggentreprenörerna i Sverige, där man kunde konstatera att färdigställa invändiga betongytor tillhör de tyngsta arbetena i byggbranschen. Att mekanisera dessa arbetsmoment skulle innebära en avsevärd förbättring av arbetsmiljön och dessutom höja produktiviteten.

För att uppnå ett tillfredsställande resultat både ekonomiskt och arbetsmiljömässigt krävdes att hela produktionssystemet utvecklades från spackelmaterial, materialdistributionssystem till appliceringsmetodik. I korthet kan det utvecklade produktionssystemet beskrivas enligt följande: 

Den spacklingsmetodik som valts är att endast spruta spackel utan därefter följande avdragning av ytan. Detta har möjliggjorts av två anledningar dels sprutar "roboten" så noggrant och dels har spackelmaterialet vidareutvecklats så att metoden ger ett fullgott resultat för tapetsering och/eller målning.

Materialsystemet har utvecklats till ett automatiskt distributionssystem där spackelmaterialet pumpas från en storsäcksförpackning, stående på markplanet, upp till arbetsstället. Materialdistributionssystemet är ett "slutet" system vilket medför att rengöring och spill i stort sett eliminerats. Detta system har även medfört att det traditionella manuella måleriet avsevärt underlättats.

För navigering av roboten på en byggarbetsplats krävs ett system som ej kräver några "fasta" installationer i miljön där roboten skall ta sig fram, detta för att kostnaderna inte skall bli orimliga. Det system som valts är en vidareutveckling av det arbete som utförts vid Tekniska Högskolan i Luleå. Systemet är baserat på en avståndsmätande sensor (i detta fall en laser) och med hjälp av Hougtransformen kan man göra det möjligt att skatta robotens position i en i övrigt okänd omgivning. Sensorn används också för att detektera funktionella storheter såsom väggar, dörrar och fönster. Med denna information har det varit möjligt att utveckla algoritmer för olika spacklingsstrategier beroende på ytans utseende.

Produktionssystemet har prövats på en byggarbetsplats i Skellefteå under februari 1995.

Testerna har indikerat att roboten är mer än dubbelt så snabb som en målare att åstadkomma en yta färdig för tapetsering eller målning. Dessutom medför tekniken att inget spill av material uppstår vilket leder till att byggarbetsplatsen kan hållas mycket renare.

Målsättning fortsättningsetapp

Det genomförda projektet har visat att den uppställda målsättning gått att uppfylla. Dock har projektet resulterat i en funktionsprototyp. Nästa steg i utvecklingen är genomföra ett antal byggarbetsplatsanpassningar av roboten. Målsättningen med denna projektetapp är att: 

· Vidareutveckla algoritmerna för navigeringssystemet för att klara navigering i mer generella rum än basfallet (rektangulära rum).

· Förbättra kalibreringen av laserscannern.

· Testa och vidareutveckla uppmätnings- och styrprogrammen för att eliminera driftstörningar.

· Förbättra hjulupphängningarna för att höja precisionen i navigeringen.

· Utrusta roboten med en konstruktion för att kunna hantera spackelslang och elkabel.

· Genomföra fältförsök där hela produktionssystemet (materialdistributions-system och robotspackling) utvärderas tekniskt, arbetsmiljömässigt, kvalitets-mässigt samt produktionsekonomiskt.

Genomförande

Vidareutveckling

På Luleå tekniska högskola kommer en genomgång av befintliga styrprogram att genomföras för att eliminera "fixar" och därmed förfina programmen för att eliminera driftstörningar. Speciellt kommer kopplingen mellan dödräkningen, navigeringen och styrningen att behandlas.

I arbetet kommer även att ingå att vidareutveckla algoritmerna för navigeringssystemet för att klara navigering i mera generella rum. I ett första skede kanske endast för rum med vinkelräta väggar och där låsa antalet väggar när hela rummet är hittat men även kunna klara av fall då inte alla fyra väggarna syns.

Laseravståndsmätningen kommer att vidareutvecklas vad gäller kalibrering, nollägesgivare samt drivelektronik och pulsgivare.

Även mer avancerade felsäkerhetsmekanismer bör implementeras, t ex automatstopp om positionsosäkerheten ökar våldsamt eller laserscannern detekterar rörliga objekt i dess arbetsområde.

De mekaniska förändringar som måste förfinas kommer att utföras av Danex AB.

I prototypen har pneumatiska ställdon utnyttjats i hög grad, så även för styrningen av hjulen. De problem som finns med robotens kinematik härör till stor del ifrån det faktum att det finns glapp i hjulupphängningarna. Detta kommer att åtgärdas i denna etapp. Även sprutmunstycket kommer att förstärkas så att läget på sprutan är mera fixerat.

I förfiningen av konstruktionen kommer de kvarvarande mekaniska ändlägesgivarna att bytas ut mot induktiva givare.

För att roboten skall uppnå en rimlig grad av autonomi krävs att slangarna för ström och spackel hanteras på något sätt. I detta projekt kommer en enkel lösning att tillämpas för slanghanteringen. Roboten kommer att utrustas med en vridbar slangvinda vilket medför att roboten aldrig skall ha överflödig slang efter sig. För att detta skall gå krävs att en mycket flexibel slang används.

Fältförsök

Hela produktionssystemet med materialdistributionssystem och automatisk spackling av väggar och tak kommer att prövas och jämföras med traditionella metoder på en byggarbetsplats.

De utvärderingar som kommer att genomföras är produktionstekniska, produktionsekonomiska och arbetsmiljömässiga. De produktionstekniska utvärderingarna kommer att omfatta en analys av hur detta produktionssystem kan integreras i det befintliga byggsystemet, vilka krav som måste ställas och vilket hinder som finns att överbrygga. Dessutom kommer det kvalitativa resultatet noga att utvärderas vad gäller den ytfinish som uppnås.

De produktionsekonomiska utvärderingar som kommer att genomföras omfattar jämförande studier med det traditionella spackelmetoderna. Kostnader för hyra av utrustningar, spackelmaterial och spill kommer att tas med i bedömningen.

Den arbetsmiljöstudie som genomförs kommer att koncentreras till vilka effekter på arbetsmiljön det nya produktionssystemet får. Självklart tas många av de besvärliga arbetsmomenten i det traditionella måleriet bort med ett införande av ett robotspacklingssystem, men det är viktigt att det nya systemet inte genererar andra tunga arbetsmoment.

Förväntat resultat

Projektet förväntas resultera i ett produktionssystem som kan användas i verklig produktion och därmed också kunna utvärderas gentemot det traditionella måleriet.

Ett väl fungerande system kan också demonstreras för en bredare publik och eventuellt ställas ut på någon byggmässa. Detta för att skapa ett intresse för produktionsmetodsutveckling i branschen och även hitta intressenter till utvecklingen av robottekniken för andra tillämpningar och för en kommersialisering av resultaten. 

Projektorganisation

Samordningsansvarig för projektet kommer BELAB med Bo Glimskär som projektledare att vara, i övrigt kommer en uppdelning av projektarbetet att ske enligt tidigare beskrivning. Ansvarig för arbetet på tekniska högskolan i Luleå kommer prof. Åke Wernersson att vara. Dan Nilsson på Danex AB ansvarar för de mekaniska förbättringar som krävs.

Som referensgrupp till projektet kommer den tidigare beskrivna projektgruppen att fungera.