Proyecto Hephaestus: robots para automatizar la instalación de fachadas tipo muro cortina

Hephaestus –Highly automatEd PHysical Achievements and PerformancES using cable roboTs Unique Systems– es un proyecto financiado por la Comisión Europea dentro del marco del programa Horizon 2020, enfocado en dar soluciones novedosas a uno de los sectores más importantes del ámbito de la construcción, el relacionado con las fachadas y los trabajos que deben realizarse cuando este elemento del edificio se instala o necesita mantenimiento.

El proyecto Hephaestus propone una nueva forma automatizada para instalar estos sistemas constructivos, proporcionando al final una solución completa, no solo altamente industrializada en producción, sino también en instalación y mantenimiento. Como parte de las labores de difusión el proyecto, fue presentado en el 37 Simposio Internacional de Automatización y Robótica en la Construcción en 2020*.

Robot de cables y robot de tareas

El robot de cables es una instalación muy utilizada en movimientos horizontales, como en almacenes para la colocación de los elementos de manera muy precisa, o en su faceta más conocida para llevar a cabo el movimiento de cámaras en los estadios de fútbol. Su utilización en vertical era un reto para el que había que modificar la forma de trabajo de este tipo de sistemas (hasta ahora mayoritariamente en horizontal) con un nivel de cargas como el planteado en el proyecto (movimiento de 1.000 kg por el espacio de trabajo).

Skycam HD en el ESPN para ABC–Broadcast University of California, Berkeley football game. Foto: Leonardo G via Wikipedia. Image tomada el 2 de setptiembre de 2007. September2, 2007.

En Hephaestus se utiliza el robot de cables para el desplazamiento a lo largo de la fachada de una cabina que aloja dos sistemas o end-effectors que son los que llevan a cabo la instalación de los módulos del muro cortina: uno realiza las tareas de colocación de los anclajes que necesitan estos sistemas (perforación de los huecos en los forjados, colocación del anclaje en su posición final y atornillado del mismo al forjado); y otro recoge los módulos del muro cortina y los lleva hasta su posición final. El sistema cuenta con un control avanzado de todo el proceso, así como la conexión del mismo con un modelo BIM del edificio. El sistema desarrollado podrá ser utilizado, así mismo, con ligeras modificaciones, para realizar el mantenimiento y limpieza de este tipo de fachada una vez finalizado la instalación sustituyendo las tareas que hacen en la actualidad las grúas tipo “góndola”.

Automatización y robótica en la construcción

El objetivo final del proyecto Hephaestus tiene como fin mejorar la automatización del proceso constructivo de instalación y mantenimiento de fachadas, así como introducir la robótica en el mundo de la construcción para incrementar la calidad de los productos finales, aumentar la rapidez de instalación y reducir los riesgos aparejados al montaje de este tipo de sistemas. Con ello se pretende potenciar y fortalecer el sector de la construcción en Europa y posicionar la industria robótica europea en este sector como un actor importante en los nuevos procesos de digitalización y automatización.

Proyecto coordinado por Tecnalia

Tecnalia realiza las funciones de coordinación del proyecto formado por 9 empresas de 6 países europeos (España, Alemania, Francia, Italia, Noruega y Reino Unido). Concretamente las actividades de Tecnalia están enfocadas en todos los aspectos relacionados con el desarrollo del robot de cables utilizado en el proyecto (diseño, fabricación y verificación final del funcionamiento), así como los aspectos relacionados con la integración del sistema en el edificio, adaptación de los sistemas de fachada y software de control de la ejecución de los trabajos. Todo ello en colaboración con los diferentes socios del proyecto en cada una de las tareas: empresas de robótica (Nlink y Cemvisa), de construcción (Acciona) y especializada en muros cortina (Focchi). El listado completo de las empresas que han participado han sido: TECNALIA (Coordinador del proyecto) (España); Technische Universität München (Universidad de Munich - Alemania); Fraunhofer- IPA (Alemania); CNRS LIRMM (Francia) ; CEMVISA VICINAY (España); NLINK AS (Noruega); FOCCHI SPA (Italia); ACCIONA Construcción (España); R2M SOLUTION LTD (Reino Unido).

Es importante reseñar que el proyecto nace de la coordinación entre dos grupos de trabajo con enfoques claramente diferenciados: el grupo especializado en robótica (Tecnalia, TU Munich, Fraunhofer, CNRS-LIRMM, Cemvisa, Nlink, R2M), inicialmente más focalizado al sector industrial (máquina herramienta, automoción, etc.), con el grupo especializado en arquitectura y construcción (Tecnalia, TU Munich, Focchi, Acciona Construcción) y dentro de este ámbito concretamente en el mundo de las fachadas. Gracias a la colaboración de estos dos grupos con ámbitos de trabajo completamente distintos surge la oportunidad, refrendada por la Comisión Europea, de trabajar introduciendo la robótica de cables en el sector de la construcción. Es gracias al conocimiento que cada grupo tiene de su sector que se hace factible poder desarrollar un proyecto que aúna áreas de conocimiento tan distintas.

CABLECRANE, desarrollado por el grupo especializado en robótica de cables de Tecnalia, es un sistema de manipulación y ensamblaje controlado y seguro de piezas complejas de alto valor económico. Un desarrollo basado en cables y montado sobre travesaños de puentes grúa convencionales para el sector de equipamientos de manipulación de materiales que permite el movimiento preciso de la carga en los seis grados de libertad, frente a los tres de un puente grúa convencional. Se ha desarrollado un prototipo industrial en colaboración con VICINAY CEMVISA.

Contexto del sector en el que se ubica el proyecto

El sector de la construcción es un sector en el que la mayoría de los procesos relacionados con la ejecución de los edificios se realiza de forma bastante manual y en el que la robótica y la automatización no ha tenido, de momento, un impacto considerable como sí ha pasado en otros sectores (como el de la automoción, industria, etc.).

Es uno de los sectores que presenta mayores problemas en cuanto a siniestralidad, tanto a nivel nacional como europeo. En España, presenta el mayor número de accidentes con baja por cada 100,000 trabajadores afiliados: un número total de 7.739 en 2018 con 2.000 más que el siguiente sector en el ranking.

En el caso de la instalación de fachadas, existe además una mayor problemática al tratarse de trabajos en altura que generan situaciones de mayor riesgo para los trabajadores. Es necesario reseñar también la escasa automatización del paso final de instalación de las fachadas lo que, en muchos casos, genera problemas relacionados con la calidad de ejecución (humedades, filtraciones de aire, etc.). El objetivo del proyecto es automatizar este último paso aumentando la calidad de ejecución, reduciendo los tiempos de instalación e incrementando la seguridad.

Los trabajos de instalación de elementos de fachada en edificios de gran altura exigen la intervención de varios operarios y suponen un riesgo de accidentes muy elevado. Fuente: Focchi.

Objetivos y resultados del proyecto Hephaestus

El objetivo final del proyecto es demostrar que es factible instalar un módulo de muro cortina/fachada de dimensiones reales (3,6 metros del alto por 1,5 metros de ancho) de forma automatizada en un edificio real. Para ello se han planteado dos demostradores a lo largo del proyecto: uno en Tecnalia, simulando un edificio de estructura de acero, y otro en las instalaciones de Acciona Construcción, en Toledo, simulando un edificio de estructura en hormigón. Para realizar este trabajo se ha fabricado un robot en base a las condiciones establecidas en el proyecto con capacidad de ejecutar todas las tareas relacionadas con la instalación de una fachada tipo muro cortina.

El mercado objetivo para este desarrollo es el sector de muros cortina, aunque esta solución se puede adaptar fácilmente a otras tareas en el sector de la construcción.

Funcionamiento de Hephaestus

El sistema mediante el que trabaja Hephaestus consiste en dos subsistemas: un robot de cable (CDPR ­ Cable Driven Parallel Robot) y un conjunto de herramientas robóticas o end-effectors, que se encargarían de las tareas de manipulación con mayor precisión situadas en la plataforma del robot.

Plataforma que incluye las herramientas robóticas para realizar las tareas de instalación de los módulos del muro cortina. Imagen: Hephaestus Consortium

El robot desarrollado en el proyecto lleva a cabo todas las tareas necesarias para la instalación de los módulos que a su vez suponen dos trabajos diferenciados: primero la fijación de los anclajes que van a servir de soporte a los módulos en el forjado de hormigón y a continuación recoger y mover el módulo de fachada hasta fijarlo en los anclajes previamente instalados.

Ya existen en el mercado propuestas de robots para colocar muros cortina, como el desarrollado por Lee et al (1), aunque son más una ayuda al instalador humano y no realizan la tarea de forma completa.

Robots de cables

Los robots de cables paralelos son un subgrupo de los robots paralelos (2) en los que se sustituyen las guías rígidas por cables para mover la plataforma de operaciones. El principio consiste en mover un elemento con hasta 6 grados de libertad (Degree of Freedom – DOF) mediante el uso de cables, controlando su longitud y tensión de manera sincronizada desde un bastidor base mediante el uso de cabrestantes eléctricos.

Se necesitan al menos 6 cables para controlar los 6 grados de libertad de la carga, y lo normal es no tener que utilizar más de 8 cables para mejorar el rendimiento. El ejemplo más conocido de este tipo de robots son las cámaras aéreas para estadios (3) que trabajan con 3 grados de libertad y 4 cables. El concepto de manipulación de todos los grados de libertad de una carga se remonta a los años noventa del siglo XX (4).

En el proyecto Hephaestus, se ha construido un robot con ocho cables para controlar 6 grados de libertad del sistema y así facilitar las tareas a realizar.

Robot de ocho cables en el proyecto Hephaestus. Imagen: Hephaestus Consortium.

Las ventajas de los robots de cables y su utilización en el proyecto Hephaestus son su gran espacio de trabajo, su alta capacidad de carga (más de 1.000 kg), sus posibilidades de configuración mediante el uso de componentes modulares y su facilidad de transporte.

Tareas de los manipuladores o end-effectors

En el caso del proyecto Hephaestus los manipuladores o end-effectors realizan dos trabajos principales: la fijación del anclaje a la losa de hormigón llevado a cabo por uno de los brazos manipuladores, y en segundo lugar, la colocación del módulo de fachada en su posición final (en los anclajes). Esta tarea se realiza con un sistema de ventosas que recoge el módulo de fachada de su posición de acopio, lo transporta a través de la fachada del edificio y lo instala en su posición final.

Llegada, izado y colocación de los módulos del muro cortina. Imágenes: Hephaestus Consortium.

Como brazo robótico se seleccionó el Universal Robots UR10e por su capacidad para taladrar hormigón y su adaptabilidad a los cambios de programa gracias a un proceso de aprendizaje.

Brazo robótico y sus herramientas para llevar a cabo los trabajos necesarios: la herramienta para taladrar, la encargada de recoger y llevar hasta su posición final la placa de anclaje, la herramienta para colocar el tornillo/anclaje de fijación y la herramienta encargada de dar el par de apriete final al tornillo/anclaje de fijación. Fotografía: Hephaestus Consortium.

El brazo se montó sobre una estructura diseñada a base de perfiles de aluminio que integraba un sistema de cambio de herramientas para ser utilizadas por el brazo robótico. En concreto se colocaron 4 herramientas para llevar a cabo los trabajos necesarios: la herramienta para taladrar, la encargada de recoger y llevar hasta su posición final la placa de anclaje, la herramienta para colocar el tornillo/anclaje de fijación y la herramienta encargada de dar el par de apriete final al tornillo/anclaje de fijación.

Uno de los aspectos más importante para asegurar la exactitud del brazo robótico es la estabilidad de la estructura en la que se encuentra alojado junto a sus herramientas mientras realiza las tareas definidas.

Para asegurar la exactitud de los trabajos de taladrado y colocación de los paneles de fachada el estabilizador fija la plataforma del robot a la losa del forjado. Fotografía: Hephaestus Consortium.

Vídeo con la simulación inicial del concepto del proyecto.

Prototipado y tests

Los primeros tests de demostración se llevaron a cabo en las instalaciones de Tecnalia en Derio. Se construyó una estructura de acero a modo de edificio sobre el que se iba a actuar, con 10,2 m de altura, 8,8 m de ancho y 2,7 m de profundidad, con dos forjados de losa de hormigón, en la primera y segunda planta, para llevar a cabo la instalación de un módulo de muro cortina. En esta prueba, en la que por primera vez se encontraban todos los componentes del robot trabajando juntos, se comprobó que el manipulador o end-effector tenía, así mismo, la capacidad de compensar las desviaciones en el posicionamiento final del robot de cables, incrementando la precisión del sistema en su conjunto.

Imagen del primer prototipo del sistema en la estructura de acero que simula un edificio real (10,2 m de alto para esta prueba) y de los diferentes componentes del robot de cables (grúas de soporte, maquinaria de movimiento de los cables, plataforma del robot de cables). Fotografía: Hephaestus Consortium.

Detalle de la plataforma móvil del robot que incorporará los elementos para la instalación de anclajes y movimiento del sistema con el muro cortina. Fotografía: Hephaestus Consortium.

Vista inferior de la plataforma móvil. Fotografía: Hephaestus Consortium.

Como parte del proyecto se ha realizado un segundo prototipo en las instalaciones de Acciona Construcción en Noblejas (Toledo), en el que se ha simulado un edificio de estructura de hormigón. En este edificio se ha demostrado que el sistema Hephaestus es factible para instalar fachadas tipo muro cortina. Los cálculos iniciales validan que el sistema se podría utilizar en espacios de hasta 100x100 m, cubriendo con amplio margen muchas de las configuraciones de edificios actuales sin reducir la precisión necesaria para instalar este tipo de fachadas. Así mismo, es necesario reseñar la flexibilidad del sistema dado las posibilidades que le ofrecen el uso del manipulador o end-effector para adaptarse a diferentes trabajos, ya sea la propia instalación de las fachadas como posteriormente labores de mantenimiento y limpieza.

Video de las segunda prueba en las instalaciones de Acciona, Toledo, sobre una estructura de hormigón armado.

Heahestus es un proyecto co-financiado por la Comisión Europea dentro del marco del programa Horizon 2020 bajo el acuerdo de subvención No 732513.

*Iturralde, K., Feucht, M., Hu, R., Pan, W., Schlandt, M., Linner, T., Bock T., Izard, J.-B., Eskudero, I., Rodriguez, M., Gorrotxategi, J., Astudillo, J., Cavalcanti, J., Gouttefarde, M., Fabritius, M., Martin, C., Henningee, T., Normese, S. M., Jacobsen, Y., Pracucci, A., Cañada, J., Jimenez-Vicaria, J.D., Paulotto, C., Alonso, R., Elia, L. (2020). A Cable Driven Parallel Robot with a Modular End Effector for the Installation of Curtain Wall Modules. In Proceedings of the 37th International Symposium on Automation and Robotics in Construction (ISARC) (pp. 1472–1479). Kitakyushu, Japan. International Association for Automation and Robotics in Construction (IAARC). 

A Cable Driven Parallel Robot with a Modular End Effector for the Installation of Curtain Wall Modules Articulo ganador del premio "Best Paper Award" en el 37 Simposio Internacional de Automatización y Robótica en la Construcción en 2020. ISARC 2020, Kitakyushu, Japón.

Notas:

1.      Lee S.Y., Gil M., Lee K., Lee S and Han C., “Design of a ceiling glass installation robot,” in Proceedings of 24th International Symposium on Automation and Robotics in Construction, Madras, 2007.

2.      Cone L., “Skycam - an aerial robotic camera system”, Byte, vol. 10, no. 10, pp. 122-132, 1985.

3.      Albus J., Bostelman R. and Dagalakis N., "The NIST Robocrane," Journal of Robotic Systems, vol. 10, no. 5, pp. 702-724, 1993.

4.      Pott A., Cable-driven parallel robots: theory and application, Springer, 2018.

El proyecto Hephaestus ha finalizado con éxito y ahora comienza una nueva etapa en la que el sistema pueda empezar a ser utilizado en un plazo no muy lejano por empresas instaladoras de fachadas y empresas constructoras.