DE19823756A1

DE19823756A1 - Eigenbewegliches Robotersystem zum Fräsen und Bohren von Vertiefungen in Wänden, vorzugsweise Rohbauwänden von Gebäuden

Info

Publication number: DE19823756A1
Application number: DE1998123756
Authority: DE
Inventors: Stefan Besler
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1998-05-27
Filing date: 1998-05-27
Publication date: 1999-12-09
Anticipated expiration: 2018-05-28
Also published as: DE19823756C2

Abstract

Beschrieben wird ein eigenbewegliches Robotersystem zum Fräsen und Bohren von Vertiefungen in Wänden, vorzugsweise Rohbauwänden von Gebäuden, mit einer Bewegungseinheit zur Fortbewegung auf horizontalem oder schrägem Untergrund, wenigstens einer, auf der Bewegungseinheit angebrachten, vertikal orientierten Lineareinheit, an der stufenlos höhenverstellbar wenigstens ein Werkzeugkopf zum Fräsen und/oder Bohren anbringbar ist, einem Ortungssystem, das aktiv die aktuelle räumliche Position des Robotersystems bestimmt sowie einer Steuereinheit, in die über Eingabemittel Daten über die räumliche Anordnung der zu bearbeitenden Wände sowie Angaben über Anzahl, räumlicher Verlauf, Art und Form der Vertiefungen in den Wänden eingebbar sind, und die unter Zugrundelegung dieser Informationen sowie der mittels des Ortungssystems bestimmten aktuellen Position Ansteuersignale für die Bewegungseinheit und/oder zur Betätigung der Lineareinheit sowie des Werkzeugkopfes generiert.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein eigenbewegliches Robotersystem zum Fräsen und Bohren von Vertiefungen in Wänden, vorzugsweise Rohbauwänden von Gebäuden.

Stand der Technik

Insbesondere auf dem Bausektor sind zur Errichtung von Gebäuden eine Vielzahl unterschiedlicher monotoner und kraftraubender Arbeitsschritte durchzuführen, die in der Regel unter großer Anstrengung von den Arbeitern zu verrichten sind und über dies einen beträchtlichen Zeit- und Kostenfaktor im Hinblick auf den gesamten Zeit- und Kapitalaufwand zur Errichtung eines Gebäudes darstellen. So beläuft sich typi scherweise der Anteil der Lohnkosten auf knapp 50% aller für die Errichtung eines Gebäudes anfallender Kosten und stellt somit den Löwenanteil der Gesamt- Kostenlast dar.

Trotz verschiedener Bemühungen und Ansätze die menschliche Arbeitskraft im Bau bereich zu entlasten, beispielsweise durch gezielte Nutzung von Automaten, bleibt die menschliche Arbeitskraft bis heute der Hauptproduktionsbestandteil im Bau.

Unter den manuell durchzuführenden Arbeitsschritten zur Errichtung eines Gebäudes stellen Verlegearbeiten von Leitungen in Wand-, Boden- und Deckenbereichen von im Rohbau befindlichen Gebäuden den Hauptanteil an Personalkosten dar. Diese, insbesondere gemäß DIN 18015 T.1 (11/84) durchzuführenden Leitungsinstallatio nen in Räumen für Wohnzwecke unterhalb der Raumbegrenzungsoberfläche ma chen einen Personalkostenanteil von 37% am gesamten Bruttoproduktionswert des Gebäudes aus. Vornehmlich bei Bürogebäuden mit einer Vielzahl an Installationen zur Versorgung einzelner Arbeitsplätze nach individuellen Bedürfnissen kommt die ser Kostenanteil besonders zum Tragen.

Während bei der industriellen Vorfertigung von Wandelementen zahlreiche direkte oder vorbereitende Tätigkeiten mit geeigneten Hilfsmitteln und automatischen Hand habungsgeräten unterstützt werden, kann bislang auf der Baustelle vor Ort die menschliche Arbeitskraft nur durch elektromechanische Werkzeuge, wie beispiels weise Bohrer, Fräser und sonstiger materialabtragender Maschinen unterstützt wer den. Beispielsweise werden bei einem durchschnittlichen Einfamilienhaus bis zu 100 Unterputzdosen manuell gesetzt, wobei die Verbindungsleitungen zwischen den Unterputzdosen durch Handfräsen mit Längsschlitzen zur Verlegung von Leitungen oder Leerrohren geschaffen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Einbringen von Vertiefungen in Roh bauwänden bzw. Decken und Böden für das Setzen von Unterputzdosen bzw. Verle gen von Leerrohren und Leitungen möglichst ohne Einsatz menschlicher Körperkraft durchzuführen und eine Arbeitsplattform zu schaffen, mittels derer die zeitintensive Fräs- und Bohrtätigkeit schneller durchzuführen sind. Die im Rohbau am Mauerwerk durchzuführenden Bohr- und Fräsarbeiten sollen insbesondere vollautomatisch und ohne unmittelbare Präsenz und Überwachung durch einen Arbeiter bzw. Operateur erfolgen.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 ange geben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran sprüche.

Die erfindungsgemäße Arbeitsplattform zur Durchführung von Fräs- und Bohrarbei ten vorzugsweise an Rohbauwänden von Gebäuden sieht ein eigenbewegliches Ro botersystem vor, das aus folgenden Komponenten zusammengesetzt ist:

Eine Bewegungseinheit dient dem Robotersystem zur Fortbewegung auf einem hori zontalen oder schrägen Untergrund, wie er in Gebäuden im Rohzustand anzutreffen ist, und ist bevorzugt als Fahrwagen ausgebildet, dessen Fahrantrieb keine kinemati schen Begrenzungen zur Fortbewegung unterliegt.

Eine besonders einfache Ausführungsform ist das Vorsehen zweier getrennt ansteu erbarer Fahrachsen mit jeweils zwei Rädern, die unabhängig voneinander um ihre jeweilige Hochachsen gelenkt werden können.

Auf der Bewegungseinheit ist wenigstens eine vertikal orientierte Lineareinheit vor gesehen, an der stufenlos höhenverstellbar wenigstens ein Werkzeugkopf zum Frä sen und/oder Bohren anbringbar ist. Vorzugsweise sind zwei getrennte Linearein heiten auf der Bewegungseinheit in vertikaler Erstreckung vorgesehen, eine zum an bringen eines höhenverstellbaren Bohrkopfes und eine andere Lineareinheit zum Anbringen eines Fräskopfes. Auf diese Weise können in einem ersten Vorgang bei spielsweise eine Vertiefung zum Einbringen einer Unterputzdose in die Wand einge bohrt und nachfolgend durch entsprechende Positionierung des Fräskopfes eine Zuführleitung zum Verlegen von Leerrohren in die Wand eingefräst werden.

Die einzelnen Werkzeugköpfe sind zum gezielten Eindringen in die Gebäudewand senkrecht zur vertikal verlaufenden Lineareinheit linear verfahrbar gelagert, so daß die Bohrtiefe bzw. die Schlitztiefe der einzelnen Vertiefungen nicht notwendigerweise durch ein Verfahren der Bewegungseinheit selbst bestimmt wird, sondern durch den einstellbaren Abstand zwischen Werkzeugkopf und der vertikal verlaufenden Li neareinheit.

Ferner ist die auf der Bewegungseinheit angebrachte vertikal verlaufende Linearein heit drehbar um ihre Hochachse gelagert, so daß Vertiefungsschlitze, die über die Verbindungskante zweier Wandbereiche verlaufen, durch entsprechende Verdre hung der Lineareinheit um ihre Hochachse ohne Unterbrechung des Fräsvorganges eingebracht werden können.

Auch ist es vorzugsweise möglich, zur Bearbeitung von Decken- oder Bodenbereich die Werkzeugköpfe jeweils um eine Achse, die senkrecht zur Lineareinheit orientiert ist, zu schwenken, so daß der Bohr- oder Fräskopf nach oben oder nach unten ge richtet werden kann.

Um der Forderung nach einem eigenbeweglichen Robotersystem gerecht zu werden, ist erfindungsgemäß ein Ortungssystem vorgesehen, das aktiv die aktuelle räumliche Position des Robotersystems bestimmt. Das Ortungssystem weist vorzugsweise op tische, magnetische und/oder elektrische Sensoren auf, mittels derer eine exakte Lokalisierung des erfindungsgemäßen Robotersystems innerhalb des Gebäudes möglich ist. So können an den Wänden sogenannte Markierungshilfen angebracht werden, die optisch, elektrisch oder magnetisch detektierbar sind, so daß das Or tungssystem die Lage des Robotersystems relativ zu den, durch die angebrachten Soll-Markierungen vordefinierten Stellen bestimmen kann.

Ferner weist das Ortungssystem vorzugsweise Abstandssensoren auf, die den aktu ellem Abstand zumindest zu einer Wandfläche erfassen. Typische Abstandssenso ren sind beispielsweise Ultraschallsensoren oder optische Sensoren, die auf der Ba sis von Laufzeit- oder Interferenzmessungen den exakten Abstand zwischen zwei Objekten erfassen können.

Auch kann das Ortungssystem durch das an sich bekannte GPS-System unterstützt sein, das zur feineren aufgelösten Ortsbestimmung als differentielles GPS-System (DGPS) ausgebildet sein sollte. Derartige Systeme sind heutzutage kommerziell er hältlich.

Schließlich sieht das eigenbewegliche Robotersystem eine Steuereinheit vor, in die über wenigstens ein Eingabemittel Daten über die räumliche Anordnung der zu bear beitenden Wände sowie Angaben über Anzahl, räumlichen Verlauf, Art und Form der Vertiefungen in die Wände eingebbar sind. Unter Zugrundelegung dieser Informatio nen sowie der mittels des Ortungssystems bestimmten aktuellen Position des eigen beweglichen Robotersystems innerhalb des Gebäudes, generiert die Steuereinheit Ansteuersignale für die Bewegungseinheit, zur Betätigung der Lineareinheit sowie der Werkzeugköpfe.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen eigenbeweglichen Robotersystems bestehend aus einer Bewegungseinheit, einer Lineareinheit, an der Werkzeugköpfe zum Fräsen oder Bohren angebracht sind, einem Ortungssystem sowie einer Steuereinheit ist es möglich, nach entsprechender Programmierung des eigenbeweglichen Robotersy stems das Einbringen von Vertiefungen in Wänden zum Verlegen von Unterputzdo sen sowie von Leerrohren vollkommen selbständig, d. h. ohne menschliche Überwa chung, durchzuführen.

Das erfindungsgemäße System kann vorzugsweise durch das Anbringen einer Ab saugvorrichtung weitergebildet werden, die den beim Bohren und Fräsen anfallenden Staub direkt absaugt, wodurch der Staubanteil in der Umgebungsluft erheblich redu ziert werden kann, was nicht zuletzt zum Arbeitsschutz beiträgt.

Ferner können Werkzeugköpfe an weiteren Lineareinheiten auf der Bewegungsein heit vorgesehen werden, die das Einsetzen von Unterputzdosen sowie das Verlegen von Leerrohren vornehmen. Auch die letztgenannten Arbeitsschritte können vollau tomatisch durchgeführt werden, bis hin zum Verspachteln der Vertiefungen nach Einbringen der entsprechenden Unterputzdosen und Leerrohre.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsge dankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eigenbewegliches Robotersystem gegenüber einer bearbeiteten Wand,

Fig. 2 Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 mit um 90 Grad gedrehter Linearein heit sowie

Fig. 3 eigenbewegliches Robotersystem mit Absaugsystem.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 weist das erfindungsgemäße eigenbewegliche Robotersystem eine Bewe gungseinheit 1 auf, unter der an zwei getrennt ansteuerbaren und lenkfähigen Ach sen jeweils zwei Räder angebracht sind. Die Bewegungseinheit 1 ist im gezeigten Beispiel gegenüber einer im Rohbau befindlichen Wand 2 positioniert, um in diese an vordefinierten Stellen Vertiefungen 3 für Unterputzdosen sowie Längsschlitze 4 für das Verlegen von Leerrohren einzubringen.

In vertikaler Orientierung ist auf der Bewegungseinheit 1 eine Lineareinheit 5 vorge sehen, entlang der stufenlos höhenverstellbar zwei Werkzeugköpfe, nämlich ein Fräskopf 6 und ein Bohrkopf 7 auswechselbar angebracht sind.

Nicht in Fig. 1 dargestellt sind die Sensoren für das Ortungssystem, das dem eigen beweglichen Robotersystem seine exakte Lage innerhalb des Raumes angibt. Über eine Steuereinheit 8 können manuell oder über eine entsprechende Schnittstelle Daten über die Ausgestaltung der Räumlichkeiten sowie über Anzahl, räumlicher Verlauf, Art und Form der in die Wände einzubringenden Vertiefungen eingegeben werden. So können die Raumdaten über ein CAD-System, auf dem der gesamte Hausplan abgespeichert ist über die Steuereinheit dem System übertragen werden.

Für eine erleichterte räumliche Orientierung des eigenbeweglichen Robotersystems können Markierungen jeweils an den Stellen an der Wand befestigt werden, an de nen die Unterputzdosen eingebracht werden sollen. Mit Hilfe geeigneter Sensoren, wie beispielsweise optische, magnetische oder elektronische Sensoren können diese Stellen lokalisiert und gezielt angefahren werden.

Da das aus einer Lineareinheit und geeignet verschwenkbaren Werkzeugköpfen be stehende Robotersystem auf der Bewegungseinheit 1 montiert ist, kann dieses an beliebige Stellen innerhalb des Raumes selbständig und eigenverantwortlich bewegt werden. Nach Erfassung der Markierungen durch das Ortungssystem werden die günstigen Verbindungsmöglichkeiten zwischen den einzelnen Positionen der Unter putzdosen im Raum berechnet. Auch können die Abstände der jeweiligen mit Hilfe von zu verlegenden Leerrohren zu verbindenden Raumpunkte mit Hilfe handelsübli cher Triangulationssensoren bestimmt werden. Je nach Verwendung des Sensortyps (optisch, magnetisch oder elektrisch) sind die an die Wand zu befestigenden Markie rungen geeignet zu wählen. Die Markierungen können nach dem Einmessen des erfindungsgemäßen Robotersystems wieder entfernt werden, zumal die Positionen der einzelnen Unterputzdosen in der Steuereinheit 8 geeignet gespeichert bleiben.

Die Werkzeugköpfe 6 und 7 für den Fräs- sowie Bohrvorgang entsprechen handels üblichen Schlitz- und Lochfräsern, die sowohl in Bohr- bzw. Fräsrichtung relativ zur vertikal verlaufenden Lineareinheit 5 beweglich angeordnet sind.

Zwar kann die Montage der Unterputzdosen sowie das Verlegen der Leerrohre in die in die Wand eingebrachten Vertiefungen manuell durchgeführt werden, doch können mittels nicht in der Fig. 1 dargestellter weiterer Werkzeugköpfe, die an der Linearein heit vorzusehen sind, diese Tätigkeiten übernehmen.

In Fig. 2 ist das eigenbewegliche Robotersystem mit einem um 90 Grad verdrehten Stellung der Lineareinheit 5 abgebildet. Der Bohrkopf 7 sowie der Fräskopf 6 können zudem auch um eine senkrecht zur Lineareinheit 5 orientierte Achse geschwenkt werden, um auf diese Weise Bereiche im Boden sowie in der Decke entsprechend bearbeiten zu können.

Ferner weist das Ortungssystem vorzugsweise einen am oberen Ende der vertikal verlaufenden Lineareinheit 5 angebrachten Triangulationssensor (nicht in den Figu ren dargestellt) auf, der durch Rotation um seine Vertikalachse den Abstand zu allen ihn umgebenden Wänden bestimmen kann. Zudem umfaßt das Ortungssystem schließlich Sensoren zur Erfassung der zurückgelegten Wegstrecke sowie der an den Antriebsachsen eingestellten Lenkwinkeln.

Fig. 3 zeigt das erfindungsgemäße Robotersystem mit einem am Bohrkopf 7 verbun denen Absaugsystem 8, zur Vermeidung der Staubbildung in der Umluft. Gleichsam der Verbindung zum Bohrkopf 7 kann auch der Fräskopf 6 mit dem Absaugsystem verbunden sein.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen, eigenbeweglichen Robotersystems kann im Ge gensatz zur derzeit üblichen Vorgehensweise mit manuell betätigten Werkzeugen das Robotersystem kraftaufwendige Werkzeugbetätigungen- und -führungen voll ständig übernehmen. Der Arbeiter wird hierbei vollständig entlastet und kann parallel zum Fräsen oder Bohren andere Tätigkeiten am Bau verrichten. Damit wird nicht nur die körperliche Belastung des Arbeiters erheblich reduziert, sondern aufgrund der Parallelisierung auch ein Zeit- und Kostenvorteil erzielt.

Bezugszeichenliste

1

Bewegungseinheit

2

Wand

3

Vertiefung für Unterputzdosen

4

Vertiefung für Leerrohre

5

Lineareinheit

6

Fräskopf

7

Bohrkopf

8

Steuereinheit

9

Absaugsystem

Claims

1. Eigenbewegliches Robotersystem zum Fräsen und Bohren von Vertiefungen in Wänden, vorzugsweise Rohbauwänden von Gebäuden, mit

- einer Bewegungseinheit (1) zur Fortbewegung auf horizontalem oder schrägem Untergrund,
- wenigstens einer, auf der Bewegungseinheit angebrachten, vertikal orientierten Lineareinheit (5), an der stufenlos höhenverstellbar wenigstens ein Werkzeugkopf (6, 7) zum Fräsen und/oder Bohren anbringbar ist,
- einem Ortungssystem, das aktiv die aktuelle räumliche Position des Robotersystems bestimmt sowie
- einer Steuereinheit (8), in die über Eingabemittel Daten über die räumliche Anordnung der zu bearbeitenden Wände sowie Angaben über Anzahl, räumlicher Verlauf, Art und Form der Vertiefungen in die Wände eingebbar sind, und die unter Zugrundelegung dieser Informationen sowie der mittels des Ortungssystems bestimmten aktuellen Position Ansteuersignale für die Bewegungseinheit und/oder zur Betätigung der Lineareinheit (5) sowie des Werkzeugkopfes (6, 7) generiert.

2. Eigenbewegliches Robotersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei vertikale, auf der Bewegungseinheit (1) ange brachte Lineareinheiten (5) vorgesehen sind, an deren eine Lineareinheit ein Fräs- und an der anderen Lineareinheit ein Bohrkopf angebracht ist.

3. Eigenbewegliches Robotersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeugkopf (6, 7) senkrecht zur Lineareinheit (5) linear verfahrbar gelagert ist.

4. Eigenbewegliches Robotersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeugkopf um eine Achse, die senkrecht zur Lineareinheit (5) orientiert ist, schwenkbar ist.

5. Eigenbewegliches Robotersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Bewegungseinheit (1) angebrachte Lineareinheit (5) drehbeweglich zu ihrer vertikalen Längsachse ist.

6. Eigenbewegliches Robotersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ortungssystem optische, magnetische und/oder elektrische Sensoren aufweist, durch die zu Orientierungszwecken an die Wände angebrachte Soll-Markierungen erfaßt und erkannt werden.

7. Eigenbewegliches Robotersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ortungssystem Abstandssensoren aufweist, die den aktuellen Abstand zumindest zu einer Wandfläche erfaßt.

8. Eigenbewegliches Robotersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ortungssystem ein GPS-System, vorzugsweise DGPS-System, aufweist.

9. Eigenbewegliches Robotersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ortungssystem nach dem Triangulations-Prinzip arbeitet und Triangulationssensoren aufweist.

10. Eigenbewegliches Robotersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Werkzeugkopfes (6, 7) ein Absaug system (9) vorgesehen ist, das den beim Fräsen und/oder Bohren entstehende Staub absaugt.

11. Eigenbewegliches Robotersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeugkopf (6, 7) auswechselbar ist.

12. Eigenbewegliches Robotersystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß an die Lineareinheit (5) ein Werkzeugkopf anbringbar ist, der Leitungsleerrohre und/oder Unterputzdosen in die Vertiefungen in den Wän den einbringt.