EP4185754A1 - Verfahren zur durchführung eines bauprozesses bei der errichtung eines bauwerks mit einsatz mindestens eines bauroboters - Google Patents

Verfahren zur durchführung eines bauprozesses bei der errichtung eines bauwerks mit einsatz mindestens eines bauroboters

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EP4185754A1
EP4185754A1 EP21748594.5A EP21748594A EP4185754A1 EP 4185754 A1 EP4185754 A1 EP 4185754A1 EP 21748594 A EP21748594 A EP 21748594A EP 4185754 A1 EP4185754 A1 EP 4185754A1
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EP
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construction
dimensions
workpiece
sensor
digital
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Christian Richter
Robert ZICKLER
Frank Will
Steffen SOELL
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Technische Universitaet Dresden
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Technische Universitaet Dresden
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    • E04—BUILDING
    • E04F—FINISHING WORK ON BUILDINGS, e.g. STAIRS, FLOORS
    • E04F21/00—Implements for finishing work on buildings
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G06Q50/00—Information and communication technology [ICT] specially adapted for implementation of business processes of specific business sectors, e.g. utilities or tourism
    • G06Q50/08—Construction

Definitions

  • the invention relates to a method for carrying out a construction process when erecting a building using at least one construction robot with sensory detection of existing dimensional deviations and integrated processing and adjustment of the corresponding workpieces in the automated execution of construction processes (e.g. laying walls or tiling) with the help of a mobile construction robot.
  • the invention relates in particular to all methods in which the compensation of workpiece tolerances is not possible through average workpiece positioning or joint dimension adjustment and which are carried out directly on the construction site.
  • Manufacturing and process-related deviations in dimensions and position occur in many construction processes (e.g. laying bricks and tiles). This are caused, among other things, by tolerances in the length, width and height dimensions of the individual workpieces, as well as tolerances in the butt and horizontal joints between the workpieces. All in all, these individual deviations can result in the permissible upper and lower dimensions specified in the construction plan being exceeded or fallen short of. In order to comply with the permissible dimensional tolerances, it is necessary to regularly record and check the current dimensions and, if necessary, adjust the workpieces by subtractive or additive processing (e.g. cutting, breaking, burning, sawing, milling, orders).
  • subtractive or additive processing e.g. cutting, breaking, burning, sawing, milling, orders.
  • Previous mobile devices or robot systems for the automated laying of bricks, tiles or similar objects do not check the tolerance chain or compliance with the permissible dimensions.
  • the objects to be laid are simply lined up.
  • the objects are positioned and aligned either in relation to the objects already laid (e.g. by checking the gap and joint dimensions) or by specifying absolute position and location values (related to a reference system, e.g. construction site coordinate system). Due to the dimensional deviations, absolute position measuring systems are only used for rough positioning. Here, too, fine positioning is carried out using a relative measuring method or by checking the contact pressure when laying the workpieces.
  • the object of the invention is therefore to enable compliance with the permissible tolerances in the automated laying or assembly of workpieces using mobile construction robots in the construction sector.
  • a process sequence is defined, which includes the control and monitoring of the permissible tolerances as well as the processing of the workpieces.
  • technical solutions for the implementation of the individual process steps are described.
  • a construction process is carried out using at least one mobile construction robot, which is designed to move and/or assemble workpieces to produce a construction object.
  • a digital construction plan or a digital construction object model containing the nominal dimensions and dimensional tolerances of the respective construction object is stored in an electronic evaluation and control unit.
  • At least the relevant external dimensions of workpieces for the respective construction project and possibly also for the respective construction object relevant physical properties (dimensions, mass, position, ..) of workpieces for the construction project are stored.
  • the current actual dimensions of the respective construction project are determined and fed to the electronic evaluation and control unit.
  • At least one mobile construction robot is used to search for a workpiece to be installed in the respective construction process.
  • Data from the digital building object and one or more sensors can be used.
  • at least one additional sensor or sensor device is used to determine the external dimensions of the workpiece relevant to the construction process and thus calculate any dimensional deviations from a target value that occur when the respective workpiece is laid and/or assembled.
  • the determined dimensional deviations are used to decide whether the respective workpiece is to be laid and/or assembled at a position corresponding to the construction project model or whether it is processed in advance so that its external dimensions are within dimensional tolerances after laying and/or assembling at the respective position .
  • the respective actual dimensions can be determined by contact or preferably without contact.
  • the essential novelty of the invention consists in the linking of sensory recording of the actual dimensions of the construction project (structure) and workpiece, the determination and calculation of the dimensional deviations, the control of the permissible tolerances and the adjustment of the workpieces depending on the results of a dimensional tolerance analysis.
  • the invention forms the basis for complying with the permissible tolerance dimensions in the automated execution of construction processes using mobile robot systems and thus creates the basis for a practical use of future construction robotic systems.
  • the description of a generally applicable process sequence covers a wide range of potential applications (e.g. laying bricks, aerated concrete blocks, tiles, paving slabs, paving stones, drywall, etc. as possible workpieces).
  • a digital construction plan or building model is used to provide information about what is to be installed Workpiece loaded. This can include the type, geometry, material or type designation of the workpiece. With the help of this information, the robot or a separate conveyor unit can search for a suitable workpiece (e.g. on a pallet or in a material store).
  • the actual geometric dimensions and/or the shape of the respective workpiece are recorded.
  • This can be done by using laser distance sensors, laser cut sensors, lidar sensors, ultrasonic sensors, depth cameras, cameras or touch sensors, among others.
  • the corresponding sensors can be arranged on the manipulator of the construction robot or on a base platform.
  • the individual dimensions can be determined before or after the workpiece is picked up by the construction robot.
  • the search for a respective workpiece can also be carried out with the aid of the sensor or the sensor device.
  • the current actual dimensions of the construction object can be determined either by the sensors of the construction robot or a separate measuring device (e.g. total station or an unmanned flying object/drone). Suitable sensors can be present there for this purpose.
  • the dimensional deviations after the laying or assembly of the respective workpiece can be calculated before the respective workpiece is laid and/or assembled.
  • information on the construction process can be included, which, among other things, provides information on the joint and gap dimensions.
  • the information about the construction process can also be part of the digital construction plan or construction project model, but can also be defined separately.
  • the information on the joint and gap dimensions can also be included in the nominal dimensions.
  • Various criteria can be used for the decision, which also take into account the uncertainties of the determined actual dimensions and the calculated dimensional deviations. It is also possible to take into account at least one other sensor or sensor device that was detected when determining the actual dimensions and to compare it with the corresponding nominal dimensions, taking into account the tolerance dimensions of the digital construction project, in order to determine whether a respective workpiece is suitable before it is laid and/or mounting is processed or not.
  • the workpiece needs to be adjusted, it is adjusted using one or more processing devices, which can be integrated on the construction robot. After editing it can
  • Workpiece can be measured again in the sense of a processing control and, if necessary, processed again (iterative process). The workpiece is then installed by the robot.

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Abstract

Bei dem Verfahren werden in einer elektronischen Auswerte‐ und Steuereinheit ein digitaler Bauplan oder ein digitales Bauobjektmodell gespeichert wird, in dem Nennmaße und Maßtoleranzen des jeweiligen Bauobjekts enthalten sind, und darin zumindest die für das jeweilige Bauobjekt relevanten äußeren Abmessungen von Werkstücken. Mittels mindestens eines Sensors werden die momentanen Istmaße des jeweiligen Bauprojekts bestimmt und der elektronischen Auswerte‐ und Steuereinheit zugeführt. Mit eine Bauroboter wird die Suche nach einem nachfolgend zu verbauenden Werkstück durchgeführt. Nach dem Auffinden dieses Werkstücks werden die für den Bauprozess relevanten äußeren Abmessungen des Werkstücks bestimmt und damit Maßabweichungen berechnet und damit entschieden wird, ob das jeweilige Werkstück an einer dem Bauprojektmodell entsprechenden Position verlegt und/oder montiert oder vorab so bearbeitet wird, so dass seine äußeren Abmessungen nach einem Verlegen und/oder Platzieren an der jeweiligen Position innerhalb von Maßtoleranzen liegen.

Description

Verfahren zur Durchführung eines Bauprozesses bei der Errichtung eines
Bauwerks mit Einsatz mindestens eines Bauroboters
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung eines Bauprozesses bei der Errichtung eines Bauwerks mit Einsatz mindestens eines Bauroboters mit sensorischer Erfassung vorhandener Maßabweichungen sowie eine integrierte Bearbeitung und Anpassung der entsprechenden Werkstücke bei der automa tisierten Ausführung von Bauprozessen (z.B. Mauern oder Fliesenlegen) mit hilfe eines mobilen Bauroboters.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf alle Verfahren, bei denen der Ausgleich von Werkstücktoleranzen nicht durch gemittelte Werkstückpositio nierung oder Fugenmaßanpassung möglich ist und welche direkt auf der Bau stelle ausgeführt werden.
Fertigungs- und prozessbedingt entstehen bei vielen Bauprozessen (z. B. Ver legen von Mauersteinen und Fliesen) Maß- und Lageabweichungen. Diese werden u.a. durch Toleranzen in den Längen-, Breiten- und Höhenmaßen der einzelnen Werkstücke, sowie Toleranzen in den Stoß- und Lagerfugen zwi schen den Werkstücken verursacht. In Summe können diese Einzelabwei chungen dazu führen, dass die zulässigen oberen und unteren Abmaße, wel che im Bauplan vorgeschrieben sind, über- bzw. unterschritten werden. Zur Einhaltung der zulässigen Maßtoleranzen ist es notwendig, die aktuellen Ab maße regelmäßig zu erfassen, zu kontrollieren und wenn nötig die Werkstü cke durch subtraktive oder additive Bearbeitung (z. B. Schneiden, Brechen, Brennen, Sägen, Fräsen, Aufträgen) anzupassen.
Bisherige mobile Vorrichtungen oder Robotersysteme zum automatisierten Verlegen von Mauersteinen, Fliesen oder ähnlichen Objekten überprüfen die Toleranzkette bzw. die Einhaltung der zulässigen Abmaße nicht. Die zu verle genden Objekte werden einfach aneinandergereiht. Die Positionierung und Ausrichtung der Objekte erfolgt entweder in Relation zu den bereits verlegten Objekten (z.B. durch Kontrolle der Spalt- und Fugenmaße) oder durch Vorgabe absoluter Positions- und Lagewerte (bezogen auf ein Referenzsystem, z.B. Baustellenkoordinatensystem). Aufgrund der Maßabweichungen werden ab solute Positionsmesssysteme nur zur Grobpositionierung eingesetzt. Die Fein positionierung erfolgt auch hier durch ein Relativmessverfahren oder durch die Kontrolle der Anpresskraft beim Verlegen der Werkstücke.
Es existieren bereits Systeme mit integrierten Einrichtungen zum Zuschneiden der Werkstücke. Der Zuschnitt erfolgt bei diesen Systemen allein auf Basis der durch den Bauplan definierten Planungsdaten.
Mit den existierenden mobilen Baurobotik-Systemen kann die Einhaltung der zulässigen Toleranzen nicht gewährleistet werden. Dies liegt zum einen daran, dass die Istmaße des jeweiligen Bauwerks und der Werkstücke nicht regelmä ßig gemessen und mit den Nennmaßen und zulässigen Toleranzen verglichen werden. Zum anderen erfolgt keine Anpassung der Werkstücke in Abhängig keit der aktuellen Maßabweichungen. Ein praxistauglicher Einsatz, bei dem eine Bauausführung nach geltenden Normen und Richtlinien (z.B. DIN 18202 - Toleranzen im Hochbau) gewährleistet sein muss, kann mit den bisherigen Lösungen nicht sichergestellt werden. Aufgabe der Erfindung ist es daher die Einhaltung der zulässigen Toleranzen bei der automatisierten Verlegung oder Montage von Werkstücken mithilfe mobiler Bauroboter im Bausektor zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausfüh rungsformen können mit in abhängigen Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahrensablauf definiert, welcher die Kon trolle und Überwachung der zulässigen Toleranzen sowie die Bearbeitung der Werkstücke beinhaltet. Zudem werden technische Lösungsmöglichkeiten zur Realisierung der einzelnen Verfahrensschritte beschrieben.
Bei der Erfindung wird ein Bauprozess mit Einsatz mindestens eines mobilen Bauroboters, der zum Verlegen und/oder Montieren von Werkstücken zur Herstellung eines Bauobjekts ausgebildet ist, durchgeführt.
Dabei wird in einer elektronischen Auswerte- und Steuereinheit ein digitaler Bauplan oder ein digitales Bauobjektmodell gespeichert, in dem Nennmaße und Maßtoleranzen des jeweiligen Bauobjekts enthalten sind.
In der elektronischen Auswerte- und Steuereinheit werden auch zumindest die relevanten äußeren Abmessungen von Werkstücken für das jeweilige Bauprojekt und ggf. auch für das jeweilige Bauobjekt relevanten physikali schen Eigenschaften (Maße, Masse, Lage,..) von Werkstücken für das Baupro jekt gespeichert.
Mittels mindestens eines Sensors oder einer Sensoreinrichtung werden die momentanen Istmaße des jeweiligen Bauprojekts bestimmt und der elektro nischen Auswerte- und Steuereinheit zugeführt.
Mit mindestens einem mobilen Bauroboter wird die Suche nach einem im jeweiligen Bauprozess nachfolgend zu verbauenden Werkstück durchgeführt. Dabei können Daten des digitalen Bauobjekts sowie ein oder mehrerer Senso ren genutzt werden. Nach dem Auffinden des nachfolgend zu verbauenden Werkstücks werden mit mindestens einem/einer weiteren Sensor oder Sensoreinrichtung die für den Bauprozess relevanten äußeren Abmessungen des Werkstücks bestimmt und damit bei einem Verlegen und/oder Montieren des jeweiligen Werkstücks von einem Sollwert auftretende Maßabweichungen berechnet. Mit den ermit telten Maßabweichungen wird entschieden, ob das jeweilige Werkstück an einer dem Bauprojektmodell entsprechenden Position verlegt und/oder mon tiert oder vorab so bearbeitet wird, so dass seine äußeren Abmessungen nach einem Verlegen und/oder Montieren an der jeweiligen Position innerhalb von Maßtoleranzen liegen.
Vorteilhaft können die jeweiligen Istmaße berührend oder bevorzugt berüh rungslos bestimmt werden.
Bei einer Entscheidung ob ein Werkstück vor dem Verlegen und/oder Montie ren bearbeitet wird oder nicht, sollten im digitalen Bauprojekt hinterlegte Maßtoleranzen berücksichtigt werden.
Die wesentliche Neuheit der Erfindung besteht in der Verknüpfung aus senso rischer Erfassung der Istmaße von Bauprojekt (Bauwerk) und Werkstück, der Bestimmung und Berechnung der Maßabweichungen, der Kontrolle der zuläs sigen Toleranzen und der Anpassung der Werkstücke in Abhängigkeit der Er gebnisse einer Maßtoleranzanalyse.
Die Erfindung bildet die Voraussetzung zur Einhaltung der zulässigen Tole ranzmaße bei der automatisierten Ausführung von Bauprozessen mithilfe mobiler Robotersysteme und schafft somit die Grundlage für einen praxis tauglichen Einsatz zukünftiger Baurobotik-Systeme. Durch die Beschreibung eines allgemeingültigen Verfahrensablaufes wird ein breites Feld potenzieller Anwendungsfälle abgedeckt (z. B. Verlegen von Ziegeln, Porenbetonsteinen, Fliesen, Gehwegplatten, Pflastersteinen, Trockenbauwänden usw. als mögli che Werkstücke).
Vor dem Verlege- oder Montageprozess werden aus einem digitalen Bauplan bzw. Gebäudemodell die Informationen über das jeweils zu verbauende Werkstück geladen. Hierzu können u.a. Art, Geometrie, Material oder Typbe zeichnung des Werkstücks zählen. Mithilfe dieser Informationen kann der Ro boter oder eine separate Fördereinheit nach einem geeigneten Werkstück (z. B. auf einer Palette oder in einem Materiallager) suchen.
Danach werden mithilfe von geeigneten Sensoren die geometrischen Istmaße und/oder die Form des jeweiligen Werkstücks erfasst. Dies kann u.a. durch die Verwendung von Laser-Distanz Sensoren, Laserschnittsensoren, Lidar- Sensoren, Ultraschallsensoren, Tiefenbildkameras, Kameras oder Berührungs sensoren erfolgen. Die entsprechenden Sensoren können am Manipulator des Bauroboters oder auf einer Basisplattform angeordnet sein. Die Bestimmung der einzelnen Maße kann vor oder nach dem Aufnehmen des Werkstücks durch den Bauroboter erfolgen. Mithilfe des Sensors bzw. der Sensoreinrich tung kann auch die Suche eines jeweiligen Werkstücks durchgeführt werden.
Die aktuellen Istmaße des Bauobjekts können entweder durch die Sensorik des Bauroboters oder eine separate Messeinrichtung (z. B. Tachymeter oder ein unbemanntes Flugobjekt/Drohne) bestimmt werden. Dazu können dort geeignete Sensoren vorhanden sein.
Mithilfe der Nennmaße des Bauobjektes, die im digitalen Bauprojektmodell enthalten sind, sowie der Istmaße von Bauobjekt und Werkstück können die Maßabweichungen nach dem Verlegen bzw. der Montage des jeweiligen Werkstücks berechnet werden, bevor das jeweilige Werkstück verlegt und/oder montiert wird. Dazu können Informationen zum Bauprozess einbe zogen werden, welche u.a. Informationen zu den Fugen- und Spaltmaßen lie fern. Die Informationen zum Bauprozess können ebenfalls Teil des digitalen Bauplans oder Bauprojektmodell sein, können aber auch separat definiert werden. Die Informationen zu den Fugen- und Spaltmaßen können alternativ auch in den Nennmaßen enthalten sein. Basierend auf den berechneten Maß abweichungen und den zulässigen Maßtoleranzen, welche ebenfalls im digita len Bauplan oder Bauprojektmodell hinterlegt sind, wird entschieden ob das Werkstück bearbeitet wird oder nicht. Für die Entscheidung können verschie dene Kriterien verwendet werden, welche auch die Unsicherheiten der ermit telten Istmaße sowie der berechneten Maßabweichungen berücksichtigen. Es besteht auch die Möglichkeit, die bei der Istmaßermittlung mit dem min destens einen weiteren Sensor oder Sensoreinrichtung detektiert worden sind, zu berücksichtigen und mit entsprechenden Nennmaßen unter Berück sichtigung von Toleranzmaßen des digitalen Bauprojekts zu vergleichen, um zu bestimmen ob ein jeweiliges Werkstück vor dem Verlegen und/oder Mon tieren bearbeitet wird oder nicht.
Wird entschieden, dass das Werkstück angepasst werden muss, so wird es mithilfe einer oder mehrerer Bearbeitungseinrichtungen, welche auf dem Bauroboter integriert sein können, angepasst. Nach der Bearbeitung kann das
Werkstück im Sinne einer Bearbeitungskontrolle wieder vermessen werden und ggf. nochmals bearbeitet werden (iterativer Prozess). Anschließend wird das Werkstück durch den Roboter verbaut.

Claims

Patentansprüche 5
1. Verfahren zur Durchführung eines Bauprozesses bei der Errichtung eines Bauwerks mit Einsatz mindestens eines mobilen Bauroboters, der zum Verlegen und/oder Montieren von Werkstücken zur Herstel lung eines Bauobjekts ausgebildet ist, bei dem
10 in einer elektronischen Auswerte- und Steuereinheit ein digitaler Bau plan oder ein digitales Bauobjektmodell gespeichert wird, in dem Nennmaße und Maßtoleranzen des jeweiligen Bauobjekts enthalten sind, und
15 in der elektronischen Auswerte- und Steuereinheit zumindest die für das jeweilige Bauobjekt relevanten äußeren Abmessungen von Werk stücken für das Bauprojekt gespeichert werden und
20 mittels mindestens eines Sensors oder einer Sensoreinrichtung die momentanen Istmaße des jeweiligen Bauprojekts bestimmt und der elektronischen Auswerte- und Steuereinheit zugeführt werden und mit dem mindestens einen mobilen Bauroboter die Suche nach einem
25 im jeweiligen Bauprozess nachfolgend zu verbauenden Werkstück mit tels Daten des digitalen Bauobjektmodells durchgeführt wird, wobei nach dem Auffinden des nachfolgend zu verbauenden Werkstücks mit mindestens einem/einer weiteren Sensor oder Sensoreinrichtung die
BO für den Bauprozess relevanten äußeren Abmessungen des Werkstücks bestimmt und damit bei einem Verlegen und/oder Montieren des je weiligen Werkstücks von einem Sollwert auftretende Maßabweichun gen berechnet werden und damit entschieden wird, ob das jeweilige Werkstück an einer dem Bauprojektmodell entsprechenden Position
35 verlegt und/oder montiert oder vorab so bearbeitet wird, so dass seine äußeren Abmessungen nach einem Verlegen und/oder Platzieren an der jeweiligen Position innerhalb von Maßtoleranzen liegen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Be stimmung der Istdaten berührungslos oder berührend durchgeführt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass bei einer Entscheidung ob ein Werkstück vor dem Verlegen und/oder Montieren bearbeitet wird oder nicht, werden im digitalen Bauprojekt hinterlegte Maßtoleranzen berücksichtigt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass als Sensor oder Sensoreinrichtung mindestens ein Laser-Distanz Sensor, ein Laserschnittsensor, ein LIDAR-Sensor, ein Ult raschallsensor, eine Tiefenbildkamera, eine Kamera oder ein Berüh rungssensor eingesetzt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass ein weiterer Sensor oder eine Sensoreinrichtung zur Absolutwertmessung an einem stationären oder mobilen Objekt, insbesondere an einem Stativ oder unbemannten Flugobjekt vorhan den ist, mit dem die Bestimmung von Istmaßen am Bauobjekt durchge führt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass Fugen- und Spaltmaße, die bei der Istmaßermitt lung mit dem mindestens einen weiteren Sensor oder Sensoreinrich tung detektiert worden sind, berücksichtigt und mit entsprechenden Nennmaßen unter Berücksichtigung von Toleranzmaßen des digitalen Bauprojekts verglichen werden, um zu bestimmen ob ein jeweiliges Werkstück vor dem Verlegen und/oder Montieren bearbeitet wird o- der nicht.
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