CH673498A5 - Automatic brick laying system using programme-controlled robot - uses gripper to transfer bricks with simultaneous feed of bedding mortar - Google Patents

Description

  
 



   BESCHREIBUNG



   Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erstellen von Mauerwerk aus natürlichen oder künstlichen Steinen, die als Ladeeinheit an den Arbeitsort verbracht und mit Mörtel vermauert werden, sowie eine zur Ausführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung.



   Im modernen Hochbau werden ausser für dekorative Wandverkleidungen praktisch nur noch Steine mit genormten Abmessungen verwendet, die zu Ladeeinheiten auf Paletten geschichtet und von einem Kran oder einem Hubstapler an den Arbeitsplatz transportiert werden. Der Mörtel wird in der gewünschten Zusammensetzung entweder von einem Mörtelwerk angeliefert oder auf der Baustelle in einer Mischanlage aufbereitet und an die einzelnen Arbeitsplätze verteilt, wofür geeignete Transportbehälter und -einrichtungen vorgesehen sind. Reine Handarbeit ist immer noch das Erstellen des Mauerwerks, wobei ein Facharbeiter die Steine einzeln von der Ladeeinheit abnimmt, mindestens auf der unteren Auflagefläche und einer seitlichen Anlagefläche mit Mörtel belegt und am vorgesehenen Ort auf eine tragende Bodenfläche auflegt oder zum Verband einer begonnenen Mauer zufügt.



   Diese Handarbeit erfordert Erfahrung und Geschick, ist körperlich anstrengend und muss gewöhnlich an einem gegen die Witterung nicht geschützten Ort ausgeführt werden. Weil ausserdem der Arbeitsvorrat jahreszeitlich bedingten grossen Schwankungen unterliegt, ist diese Art der Berufsarbeit nicht mehr sehr attraktiv.



   Der vorliegenden Erfindung lag darum die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die die körperliche Arbeit des Handwerkers übernimmt, die handwerkliches Geschick und Erfahrung durch eine automatische Steuerung ausgleicht und deren Einsatz Unterschiede des Arbeitsauftragsbestands ausgleichen kann.



   Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mit einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, das gekennzeichnet ist durch die Verwendung eines elektronisch steuerbaren Roboters mit mindestens einem bewegbaren Ausleger und einem daran angeordneten Greifer, welcher Roboter am Arbeitsort derart positioniert wird, dass die Ladeeinheit und mindestens ein Teil des zu erstellenden Mauerwerks im Arbeitsbereich des Greifers liegen, sowie einer elektronischen Steuereinrichtung,

   die entsprechend einem vorgegebenen Betriebsprogramm und einem Anwenderprogramm,  das die Eckwerte des zu erstellenden Mauerwerks und der Ladeeinheit sowie deren Ort relativ zum Mauerwerk und die Abmessungen der zu vermauernden Steine enthält und die Bewegungsabläufe des Auslegers und des Greifers beim Abheben der Steine von der Ladeeinheit sowie beim Transportieren zum und Absetzen auf dem Mauerwerk unter Berücksichtigung der für jeden Stein anderen Lage steuert.



   Das beschriebene Verfahren ermöglicht, dem Bauhandwerker die mit dem Manipulieren der Steine verbundene körperliche Arbeit abzunehmen und ein Stück Mauerwerk in genauer Übereinstimmung mit dem Bauplan selbsttätig zu erstellen.



   Eine bevorzugte Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist gekennzeichnet durch einen Roboter mit einem Unterbau, einem aus mehreren schwenkbar miteinander verbundenen Gliedern gebildeten Ausleger und einem Greifer, welcher Ausleger am Unterbau und welcher Greifer im Bereich des freien Endes des Auslegers schwenkbar befestigt sind, und durch eine elektronische Steuereinrichtung, die entsprechend dem Anwender- und dem Betriebsprogramm Steuersignale für die Antriebseinrichtungen der unabhängig voneinander ansteuerbaren Schwenkverbindungen der Glieder des Auslegers und des Greifers erzeugt.



   Nachfolgend wird das erfindungsgemässe Verfahren anhand einer zu dessen Ausführung geeigneten Vorrichtung mit Hilfe der Figuren beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 die perspektivische Ansicht eines Arbeitsplatzes mit einem Bauroboter und
Fig. 2 das Blockschema der elektronischen Steuereinrichtung für den Bauroboter.



   Die Fig. 1 zeigt schematisch einen Arbeitsplatz mit einer Palettenladung 10 aus aufgeschichteten Backsteinen, einen Behälter 11 mit Mörtel, ein Stück Mauerwerk 12 und einen Bauroboter 13.



   Die Palettenladung besteht aus einer für den Transport mit einem Hubstapler geeigneten standardisierten Holzpalette 15, auf der die Backsteine (von denen nur ein Backstein mit dem Bezugszeichen 16 identifiziert ist) in vorgegebener Anordnung aufgestapelt sind. Im gezeigten Beispiel enthält die gestapelte Ladung noch drei vollständige Schichten von je fünf Reihen Backsteinen, die mit ihrer kleinsten Seitenfläche aneinanderliegen, während von der obersten vierten Schicht schon drei Reihen gesamthaft und von deren vierter Reihe ein Backstein abgehoben sind. Der Ort der Palettenladung ist durch vier Eckwerte   17, 18,      19,20    bestimmt, die den vier Ecken der Ladung entsprechen.



   Das Mauerwerk 12 besteht in der gezeigten Form aus drei durchgehenden Lagen 23, 24, 25 aus Backsteinen und zwei auf der obersten Lage 25 liegenden Teillagen 27, 28, die etwa in der Mitte der Längsausdehnung voneinander beabstandet sind, um den unteren Teil einer Fensteröffnung 29 zu bilden.



  Auf der oberen Teillage 28 ist als Anfang einer weiteren Teillage ein einzelner Backstein 31 aufgelegt. Das Mauerwerk 12 ist durch mindestens vier Eckwerte bestimmt, nämlich die Begrenzungen 32, 33 der Längsausdehnung und die seitliche Begrenzung 34, 35 der Fensteröffnung 29. Jedem Eckwert der Palettenladung und des Mauerstücks sind drei Koordinaten zugeordnet, die x-y-Koordinaten des Grundrisses und die z-Koordinate für die Höhe. Die die Fensteröffnung definierenden Eckwerte enthalten eine erste und eine zweite   zl    und   z2-Koordinate    für die untere und die (nicht gezeigte) obere Begrenzung der Fensteröffnung.



   Der Bauroboter 13 besteht aus einem Unterwagen 40, einem mehrgliedrigen Ausleger 41, der um eine senkrechte Achse 42 drehbar und um eine waagerechte Achse 43 schwenkbar am Unterwagen befestigt ist und dessen Glieder schwenkbar miteinander verbunden sind. Im Bereich des freien Endes des Auslegers ist ein Greifer 44 angelenkt, der zwei bewegbare Greifbacken 45 aufweist (die in Fig. 1 einen Backstein 47 halten). Im Bereich des freien Endes des Auslegers ist weiter ein Hilfsausleger 48 angelenkt, der eine Auslassdüse 49 trägt. Auf dem Unterwagen des Bauroboters ist eine Mörtelfördereinrichtung 51 aufgesetzt, von deren Einlass eine erste flexible Schlauchleitung 52 in den Behälter 11 mit dem Mörtel führt und von deren Auslass eine zweite flexible Schlauchleitung 53 zur Düse 49 führt.



   Weiter ist am Roboter eine elektronische Steuereinrichtung 55 angeordnet, die die Bewegungsabläufe des Auslegers und des Greifers, den Betrieb der Mörtelfördereinrichtung und die Stellung der Düse steuert, wie nachfolgend noch beschrieben wird.



   Bei der Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird gemäss der Fig. 2 zuerst ein Betriebsprogramm 60 erstellt, das ein für die gesamte Vorrichtung geeignetes Organisations- und Umsetzprogramm enthält. Dieses Betriebsprogramm wird auf einem ersten auswechselbaren Datenträger 61 gespeichert. Danach werden die optimale Stellung des Roboters relativ zum aufzuführenden Mauerwerk und die optimale Stellung der Palettenladung relativ zum Roboter, die beide hauptsächlich von der Reichweite des Auslegers bestimmt sind, in den Bauplan 63 für das Mauerwerk eingezeichnet. Die oben beschriebenen Koordinaten der Eckpunkte von Mauerwerk und Palettenladung sowie die x-y-Koordinate der senkrechten Drehachse 42 des Auslegers und die Grösse der die Ladung bildenden Steine und die gewünschte Anordnung der Steine im Mauerwerk werden dann in einen Datenträger 64 eingespeichert.

  Die beiden Datenträger werden in das Eingabegerät 66 einer elektronischen Steuereinrichtung 67 eingelegt. Dieses Eingabegerät enthält auch einen Anschluss für ein manuell bedienbares Dateneingabepult 62, mit dem Daten nachgeliefert oder während des Arbeitsablaufs erforderliche Korrektur-Daten eingegeben werden können.



   Sobald der Roboter und die Palettenladung an den im Bauplan eingezeichneten Ort verbracht sind, wird die elektronische Steuereinrichtung 67 in Betrieb gesetzt. Dann werden die Daten des Datenträgers 64 in Übereinstimmung mit denen des Datenträgers 61 zu Ausgangssignalen verarbeitet, die an einen Signalwandler 68 geleitet werden, an dessen Ausgängen die Steuersignale für die Antriebseinrichtung 69 des Auslegers und Greifers, die Antriebs einrichtung 71 der Mörtelfördereinrichtung und die Antriebseinrichtungen 72 für das Fahrwerk des Unterwagens erscheinen. Jede Antriebseinrichtung ist mit einem Signalgeber 73 bzw. 74 bzw. 75 bewegungsverbunden. Die Ausgangssignale dieser Signalgeber entsprechen dem Ist-Wert der Bewegung oder Verstellung und werden an Rückmeldeeingänge 77 der elektronischen Steuereinrichtung geleitet. 

  Die Steuereinrichtung vergleicht die eingehenden Ist-Werte periodisch mit den ausgegebenen Soll-Werten und erzeugt gegebenenfalls Korrektursignale, bis die Ist- und die Soll-Werte übereinstimmen.



   Eine elektronische Kamera 77 ist auf die Greifbacken des Greifers gerichtet. Das Bild der Kamera wird in einer Einrichtung 78 zur Bildverarbeitung digitalisiert. Die digitalen Signale werden über einen Korrektureingang 79 an die elektronische Steuereinrichtung 67 geleitet, wo die Signale verarbeitet werden, um beispielsweise festzustellen, ob die Greifbacken einen Stein erfasst haben und hängt, d. h. in der Mitte erfasst wurde, und wo gegebenenfalls auch Korrektursignale erstellt und ausgegeben werden.



   Die in ihrem prinzipiellen Aufbau beschriebene Vorrichtung kann aus handelsüblichen Einrichtungen und Geräten  zusammengestellt werden, weshalb auf deren Konstruktion und Funktion hier   ausdrucklich    verz;chtet wird.



   Es versteht sich, dass die beschriebene Vorrichtung auf vielerlei Weise abgeändert und an spezielle Betriebsbedingungen angepasst werden kann. So kann beispielsweise auf den ersten externen Datenträger verzichtet und das gesamte Betriebsprogramm in die elektronische Steuereinrichtung integriert werden. Zum Speichern der Koordinaten der Eckwerte und der Abmessungen der Steine auf dem zweiten Datenträger kann ein Dateneingabepult mit einem Tastenfeld verwendet werden, oder die Bauzeichnung kann mit Hilfe einer CAD-Einrichtung oder einer  Maus  eingelesen werden.

  Die Stellung des Roboters und insbesondere der senkrechten Drehachse von dessen Ausleger relativ zu den Eckwerten der Palettenladung und dem zu erstellenden Mauerwerk kann mittels eines  teach-in  festgelegt werden, wobei der Greifer des Roboters durch Handsteuerung an die einzelnen Eckwerte herangeführt und die Daten der dabei aufgefundenen Positionen eingespeichert werden. Als externer, auswechselbarer Datenträger kann eine  Floppy Disk  oder ein für die relativ staubige Umgebung eines Bauplatzes besser geeigneter Magnetblasenspeicher verwendet werden. Es ist aber ebenso gut möglich, auch auf diesen zweiten externen Speicher zu verzichten und die für jeden Arbeitsplatz individuellen Werte direkt in einen Speicher der elektronischen Steuereinrichtung einzulesen.

  Als Antriebseinrichtungen für die Glieder des Auslegers, des Hilfsauslegers und des Greifers ebenso wie für das Fahrwerk des Unterwagens und für die Mörtelfördereinrichtung werden vorzugsweise Schrittmotoren mit hydraulischen Verstärkern und Impulszähler als Ist-Wertsignalgeber verwendet.

 

   Natürlich ist es auch möglich, für den Antrieb gewöhnliche Motoren und als Ist-Wertsignalgeber Inkremental- oder Absolutwertgeber zu verwenden. Das Verfahren des Roboters aus einer Arbeitsposition in eine andere erfolgt vorzugsweise längs eines aus Lichtstrahlen gebildeten Schnurgerüsts, das vorteilhafterweise mit einem elektronischen Nivelliergerät 81 erzeugt wird. Anstelle einer elektronischen Kamera, die ein Analog-Ausgangssignal liefert, kann auch ein Dioden Array verwendet werden, das digitale Ausgangssignale liefert und darum keinen nachgeschalteten A/D-Wandler benötigt.



  Anstelle des oder zusätzlich zu dem beschriebenen Greifer können am Ausleger auch Saugnäpfe angeordnet sein, die an eine Unterdruckquelle angeschlossen sind und die dicht gepackten Steine soweit verschieben, dass sie der Greifer erfassen kann oder den Greifer ersetzen. 

Claims (11)

1. PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zum Erstellen von Mauerwerk aus natür lichen oder künstlichen Steinen, die als Ladeeinheit an den Arbeitsort verbracht und mit Mörtel vermauert werden, gekennzeichnet durch die Verwendung eines elektronisch steuerbaren Roboters mit mindestens einem bewegbaren Ausleger und einem daran angeordneten Greifer, welcher Roboter am Arbeitsort derart positioniert wird, dass die Ladeeinheit und mindestens ein Teil des zu erstellenden Mauerwerks im Arbeitsbereich des Greifers liegen, sowie einer elektronischen Steuereinrichtung, die entsprechend einem vorgegebenen Betriebsprogramm und einem Anwenderprogramm,

   das die Eckwerte des zu erstellenden Mauerwerks und der Ladeeinheit sowie deren Ort relativ zum Mauerwerk und die Abmessungen der zu vermauernden Steine enthält und die Bewegungsabläufe des Auslegers und des Greifers beim Abheben der Steine von der Ladeeinheit sowie beim Transportieren zum und Absetzen auf dem Mauerwerk unter Berücksichtigung der für jeden Stein anderen Lage steuert.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen der Eckwerte des zu erstellenden Mauerwerks und der Ladeeinheit der Greifer mittels manueller Steuerung an die bezeichneten Eckwerte herangeführt wird und die entsprechenden Positionen des Greifers in das Anwenderprogramm eingespeichert werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Eckwerte des zu erstellenden Mauerwerks und der Ladeeinheit ihre Koordinaten gemessen von der senkrechten Drehachse des Auslegers, in das Anwenderprogramm eing- speichert werden.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung einer von der elektrischen Steuereinrichtung steuerbaren Mörtelfördereinrichtung, um vor dem Absetzen eines Steins auf dem Mauerwerk Teile dieses Mauerwerks und/oder dieses Steins mit Mörtel zu belegen.
5. 5. Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Roboter (13) mit einem Unterbau (40), einem aus mehreren schwenkbar miteinander verbundenen Gliedern gebildeten Ausleger (41) und einem Greifer (44), welcher Ausleger am Unterbau und welcher Greifer im Bereich des freien Endes des Auslegers schwenkbar befestigt sind, und durch eine elektronische Steuereinrichtung (55), die entsprechend dem Anwenderund dem Betriebsprogramm Steuersignale für die Antriebseinrichtungen der unabhängig voneinander ansteuerbaren Schwenkverbindungen der Glieder des Auslegers und des Greifers erzeugt.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterbau (40) als Unterwagen ausgebildet ist, dessen Antriebs- und Lenkeinrichtung entsprechend in die elektronische Steuereinrichtung eingebbaren Daten steuerbar sind.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Zuführen von Mörtel mit einer im Bereich der Bewegungsbahn des Auslegers (41) bzw. des Greifers (44) angeordneten Düse (49) und einer von der elektronischen Steuereinrichtung (55) in Abhängigkeit von der Bewegung des Auslegers steuerbaren Mörtelfördereinrichtung (51).
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (49) an einem Glied des Auslegers (41) angeordnet ist.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (49) an einem mehrere schwenkbar miteinander verbundene Glieder enthaltenden Hilfsausleger (48) angeordnet ist und die Antriebseinrichtung der unabhängig voneinander ansteuerbaren Schwenkverbindungen zum Plazieren der Düse (49) im Bereich der Bewegungsbahn des Auslegers (41) bzw. des Greifers (44) von der elektroni schen Steuereinrichtung gesteuert werden.
10. 10. Vorrichtung nach Patentanspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schwenkverbindung des Auslegers (41) und des Greifers (44) sowie der Antriebs- und der Lenk einrichtung des Unterwagens (40) einen Signalgeber auf weist, dessen Ausgangssignal der Ist-Position der Schwenk verbindung oder Antriebs- und Lenkeinrichtung entspricht und an die elektronische Steuereinrichtung (55) geleitet wird, die nach jeder Bewegung die Ist-Position mit der Soll-Posi tion vergleicht und Korrektursignale erzeugt, bis die Ist-Posi tion der Soll-Position entspricht.
11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine elektronische Kamera (77), die zum Erzeugen eines Bilds des Greifers (45) vorgesehen ist, und dadurch, dass die elektronische Steuereinrichtung die Stellung des Greifers beim Abheben eines Steins von der Ladeeinheit und beim Absetzen eines Steins auf dem Mauerwerk in Übereinstimmung mit diesem Bild überwacht bzw. korrigiert.