EP4655139A1 - Verfahren zur steuerung eines bauroboters und bauroboter - Google Patents

Verfahren zur steuerung eines bauroboters und bauroboter

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Publication number
EP4655139A1
EP4655139A1 EP24700540.8A EP24700540A EP4655139A1 EP 4655139 A1 EP4655139 A1 EP 4655139A1 EP 24700540 A EP24700540 A EP 24700540A EP 4655139 A1 EP4655139 A1 EP 4655139A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
construction robot
line light
light beam
construction
tool
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24700540.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peer Schmidt
Dario BRALLA
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hilti AG
Original Assignee
Hilti AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hilti AG filed Critical Hilti AG
Publication of EP4655139A1 publication Critical patent/EP4655139A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J13/00—Controls for manipulators
    • B25J13/08—Controls for manipulators by means of sensing devices, e.g. viewing or touching devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J15/00—Gripping heads and other end effectors
    • B25J15/0019—End effectors other than grippers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/02—Sensing devices
    • B25J19/021—Optical sensing devices
    • B25J19/022—Optical sensing devices using lasers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J5/00—Manipulators mounted on wheels or on carriages
    • B25J5/007—Manipulators mounted on wheels or on carriages mounted on wheels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Program-controlled manipulators
    • B25J9/16—Program controls
    • B25J9/1615—Program controls characterised by special kind of manipulator, e.g. planar, scara, gantry, cantilever, space, closed chain, passive/active joints and tendon driven manipulators
    • B25J9/162—Mobile manipulator, movable base with manipulator arm mounted on it
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Program-controlled manipulators
    • B25J9/16—Program controls
    • B25J9/1679—Program controls characterised by the tasks executed
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/39—Robotics, robotics to robotics hand
    • G05B2219/39002—Move tip of arm on straight line
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/40—Robotics, robotics mapping to robotics vision
    • G05B2219/40298—Manipulator on vehicle, wheels, mobile

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a construction robot, wherein the construction robot is controlled to move to at least one working position on a building element using a tool located on a manipulator of the construction robot, wherein the working position is marked using at least one linear light beam.
  • the construction robot can then carry out construction work at the working position.
  • the light image drawn by the line light beam on the building element can first be recorded and evaluated using image processing to determine a position of the marked work position. Then a construction robot position and a construction robot position of the construction robot can be determined. These different data can be combined to determine a path along which the tool can move to the work position.
  • the object of the present invention is therefore to provide a method by which the construction robot is enabled to reliably move the tool to a working position on a building element marked by a linear light beam.
  • a further object of the present invention is to provide a construction robot with the aid of which construction work can be reliably carried out at a working position marked by a linear light beam.
  • the object is achieved by a method for controlling a construction robot, wherein the construction robot is controlled to move to at least one working position on a building element with a tool located on a manipulator of the construction robot, wherein the working position is marked with the aid of at least one line light beam, wherein the construction robot moves the manipulator and/or the tool depending on a position of an impact point of the line light beam on the construction robot.
  • the invention is based, among other things, on the surprising idea that the line light beam, when it hits the construction robot, itself describes a straight path from the construction robot to the working position.
  • Data about a path to the working position can thus be obtained not only by examining the working position on the building element itself, but also by examining the line light beam, in particular away from the building element.
  • Interference effects such as the previously described interruption of the line of sight, an apparent offset due to interfering objects, etc. can be avoided or at least reduced if the line light beam is not examined in the area of the building element, but in the immediate vicinity of the construction robot, in particular when it hits the construction robot.
  • a path to the working position can be determined with very high reliability.
  • the construction robot detects that the line light beam is radiating past the tool, i.e. that the tool in its current position does not reach the working position.
  • the construction robot can then be set up to carry out a corrective movement that moves the tool back along the line at least with sufficient accuracy. line light beam.
  • the tool can be guided along the line light beam until it finally reaches the working position.
  • the method can be used with different types of line light beams.
  • the line light beam can be a continuous light beam. It is also conceivable that the line light beam corresponds to one or more moving light points, such as those generated by a rotating laser, for example. Alternatively or additionally, it can be pulsed light.
  • the method can preferably be used with light in the infrared, visible or ultraviolet range. Alternatively or additionally, however, it is also conceivable to use the method with electromagnetic radiation of other frequency ranges, for example microwaves.
  • Light sensors adapted to the respective frequency range for example infrared sensors, light sensors suitable for visible light, or UV sensors, can preferably be used for this purpose.
  • the position of the point of impact can be determined in particular with the aid of at least one line light sensor or an area light sensor.
  • a light sensor can be used to monitor an elongated area or a flat area along the construction robot for impact of the line light beam, so that the line light beam can be found more easily.
  • the line light sensor can have a width of, for example, at least 5 cm, in particular of at least 10 cm.
  • the area light sensor can have an area of, for example, at least 5 cm x 5 cm.
  • the line light sensor in particular can offer a balanced ratio of cost to monitored area.
  • a light sensor for example a line light sensor
  • Any correction movement that may be required can then be derived directly from the determined position of the impact point.
  • An additional determination of a relative position of the manipulator relative to a base, for example a driving platform, of the construction robot can thus be dispensed with.
  • a construction task can consist of carrying out several construction jobs along the line light beam at constant intervals on the building element.
  • a construction task can consist of drilling holes along the line light beam into the building element at a specified distance from each other.
  • the method may be particularly suitable for such a case, since it already makes it possible in principle to follow the path of the line light beam.
  • At least one second coordinate for example a distance to the building element and/or to a second building element, can additionally be measured.
  • the construction robot used for the method can have a lifting device.
  • the lifting device can be part of the manipulator.
  • the manipulator in particular the lifting device, to have only one degree of freedom.
  • the lifting device can, for example, be variable in length. It can be telescopic. A small number of degrees of freedom can save manufacturing costs.
  • the manipulator can also be designed for particularly heavy loads. If the positions of at least two different impact points are determined, the path of the line light beam can be determined.
  • the lifting device of the construction robot is moved depending on the positions of at least two of the impact points.
  • the course of the line light beam can thus first be determined; in particular, an angle of inclination of the line light beam, for example relative to the vertical and/or relative to a surface normal of the building ceiling, can be determined through the working position.
  • the lifting device can then be tilted until it assumes a position corresponding to the determined angle of inclination.
  • the lifting device can then be extended in a straight line until it reaches the building ceiling.
  • the tool on the manipulator can thus be guided parallel to at least part of the line light beam.
  • the lifting device may be advantageous overall to position the lifting device at an angle depending on the positions of at least two of the impact points relative to a vertical and/or relative to a surface normal of the building element based in the working position.
  • the scope of the invention further includes a construction robot for carrying out construction work on a building element, comprising a mobile platform, a manipulator on which a tool can be arranged and/or is arranged, and at least one light sensor, wherein the construction robot is configured to determine a position of an impact point of a line light beam on the construction robot with the aid of the light sensor.
  • Such a construction robot offers the prerequisites to implement the procedure described above.
  • the construction robot can preferably have a control unit.
  • the control unit can have a computer.
  • the computer can have a processor and memory in which program code executable on the processor is stored.
  • the program code can be designed in such a way that when the program code is executed on the processor, the method is carried out by the construction robot.
  • the construction robot can in particular be configured to determine positions of at least two different points of impact of the line light beam on the construction robot.
  • the construction robot can have at least one light sensor, in particular a line light sensor and/or an area light sensor. Preferably, it can have at least two light sensors in total.
  • the construction robot can in particular be set up to detect at least two different points of impact of the line light beam using at least two light sensors. Several light sensors can be arranged at a distance from one another. In this way, positions of points of impact can be determined from a particularly large area. In this way, the course of the line light beam can be determined particularly precisely.
  • the construction robot can have at least one distance meter so that additional data on the position of the work position can be obtained independently of the line light beam.
  • the construction robot is set up to carry out the procedure described above. To do this, it can be set up to take and evaluate images of the light image. The data obtained in this way can be used to compensate for errors in order to be able to determine the position of the work position even more precisely and, if necessary, even more reliably.
  • the construction robot can be configured to carry out construction work, in particular identical construction work, at a plurality of equally spaced work positions along the line light beam on a surface of the building element.
  • the construction robot can have a distance meter, for example a laser distance meter.
  • the distance meter can be arranged and/or aligned horizontally.
  • the distance meter can be set up to recognize a marking, for example a reflective surface, of a position marking. It can be set up to measure only when this marking, in particular the reflective surface, is recognized.
  • the construction robot can also have at least one odometric distance measuring device, in particular at least one wheel odometry sensor. Measurement data from the distance measuring device can be prioritized over odometric measurement data. In particular, as long as there are no excessive deviations between the odometric measurement data and the measurement data from the distance measuring device, the system accuracy can be improved by using the measurement values from the distance measuring device.
  • the mobile platform can comprise a driving platform. To ensure sufficient stability against tipping, the mobile platform, in particular the driving platform, can have at least three, preferably independent, drive points. In order to be able to move the mobile platform, at least one, preferably at least two, of the drive points can be driven by a motor.
  • a drive point can comprise, for example, a propeller, a wheel, a chain drive and/or a drive leg.
  • the driving platform can, for example, comprise a wheeled chassis.
  • the wheeled chassis can, for example, have three or four wheels.
  • the mobile platform can have a support.
  • the manipulator can be arranged on the support.
  • the mobile platform can be configured to pivot the manipulator relative to a vertical and/or to a surface normal of the building element to be processed.
  • the carrier can be pivotably arranged on the mobile platform.
  • Maneuvering movements of the mobile platform, in particular the driving platform, can be reduced or avoided if the manipulator is swiveled until the tool reaches the working position.
  • the tool in particular with its longitudinal axis, can be aligned at an impact angle oblique to the surface normal of the building element at the working position.
  • the manipulator can have a machine tool at its free end.
  • the tool can be accommodated in the machine tool.
  • the manipulator can comprise a lifting device.
  • the manipulator can be designed as a lifting device.
  • the lifting device can be variable in length, in particular telescopic.
  • Such a manipulator can be particularly suitable for working on building ceilings.
  • the construction robot can be used with different types of machine tools and tools.
  • tools can be drilling tools, in particular for hammer drilling in rock, steel drilling tools or wood drilling tools, chisel tools or setting tools.
  • Setting tools can be, for example, tools for setting, in particular for setting fastening elements such as screws, nails, anchors or dowels.
  • the tool is a marking tool, for example comprising a paint spray nozzle.
  • the tool is a monitoring tool and/or a measuring tool, for example it can comprise a distance meter and/or a camera.
  • the machine tools can be drilling machines, in particular hammer drills, chiseling machines, setting tools, for example direct setting tools for setting nails, screwing machines such as screwdrivers with or without impact, or the like.
  • the construction robot can have a control computer.
  • the control computer can have a processor, a memory unit and a program code that can be executed on the processor.
  • the processor can have one or more subprocessors.
  • the program code can be set up to implement one or more of the functionalities, in particular all functionalities, by controlling the corresponding elements of the construction robot when executed on the processor.
  • the construction robot in particular a program code of a control computer of the construction robot, is set up to carry out the method described above by controlling further elements of the construction robot.
  • the construction robot can have an acceleration and/or an inclination sensor, for example an inertial measurement unit, hereinafter referred to as “IMU”.
  • the acceleration sensor and/or the inclination sensor can be arranged on the driving platform. Alternatively or additionally, they can also be arranged on the lifting device and/or on the machine tool.
  • the construction robot can be designed to carry out construction work on a building construction site and/or a civil engineering construction site. Accordingly, the building element can comprise, for example, a building ceiling, a building wall and/or a building floor.
  • Fig. 1 a construction robot and a building element in a perspective oblique view
  • Fig. 4 the construction robot according to Fig. 1 in a view from the side, in a view from above and in a view from below,
  • Fig. 5 is a schematic representation of an impact angle of the construction robot on the building element
  • Fig. 6 is a schematic representation of a line laser marking several work positions using a line light beam, the line light beam being detected by the construction robot,
  • Fig. 7 the construction robot illuminated by the line light beam in a view from the front and
  • Fig. 8 shows a method for controlling a construction robot.
  • Fig. 1 shows a construction robot 10 for processing a building element 12.
  • Fig. 2 shows a side view of the construction robot 10.
  • Fig. 3 and Fig. 4 show a view of the construction robot 10 from above and from below, respectively.
  • the construction robot 10 comprises a mobile platform in the form of a driving platform 14, a manipulator in the form of a lifting device 16 and a machine tool 17 arranged on the lifting device 16.
  • a tool 18 is accommodated in the machine tool 17.
  • the tool 18 contacts a working position 20 on the building element 12.
  • the construction robot 10 also has a control computer 46.
  • the construction robot also has a laser distance meter 48 on a rear side, in particular on the side opposite the line light sensors 26, 28.
  • the machine tool 17 is designed as a drilling machine.
  • the tool 18 is a concrete drill.
  • Building element 12 is a building ceiling made of reinforced concrete.
  • the construction robot 10 is configured to drill a hole in the building element 12 designed as a building ceiling at the working position 20.
  • the line light sensors 24, 26, 28 are designed to detect the position of incident light rays or light points. For this purpose, they each have a light-sensitive sensor line 29. To simplify the illustration, only one of the sensor lines 29 is provided with a reference symbol in Fig. 1.
  • the light-sensitive sensor lines 29 can have a width of 10 cm, for example. Matrices of light-sensitive individual sensors extend across the width of the sensor lines 29.
  • the first line light sensor 24 and the second line light sensor 26 are arranged vertically offset one above the other.
  • the third line light sensor 28 is arranged diagonally forwards below the second line light sensor 26.
  • the prism 22 can be used alternatively or additionally, in particular in conjunction with a total station, to determine a position and/or orientation of the construction robot 10 and in particular of the tool 18.
  • the driving platform 14 has four drive points 30, of which only three drive points 30 can be seen in Fig. 1 for illustration reasons.
  • the drive points 30 have wheels.
  • the wheels are directional wheels. It is not necessary, but conceivable, that the wheels are omnidirectional wheels.
  • Each of the drive points 30 has a height adjustment 32.
  • the height adjustments 32 engage a carrier 34.
  • the lifting device 16 is arranged on the carrier 34.
  • the carrier 34 can thus be pivoted using the height adjustments 32.
  • the construction robot 10 can thus, with the aid of the height settings 32 of the driving platform 14, the lifting device 16 and thus the machine tool 17 with its tool 18 can be pivoted relative to a surface normal of the building element 12.
  • the height adjustments 32 are designed to be automatically blocked. For this purpose, they can have a worm gear, for example.
  • the height adjustments 32 and thus an angle of inclination of the driving platform 14 are therefore only adjusted when the worm gears are moved, for example with the help of a servomotor.
  • the lifting device 16 has a single degree of freedom. In particular, its length is variable. As can be seen in particular from Fig. 2, a lower part 38 of the lifting device 16 can be released using fixing levers 36, moved manually along the rest of the lifting device 16 and then fixed again to the rest of the lifting device 16.
  • the construction robot 10 can thus initially be roughly adjusted manually to a first length or height, from which the construction robot 10 can automatically extend an upper part 40 of the lifting device 16 as required, in particular electrically driven, so far that the tool 18 reaches the working position 20 or, if necessary, penetrates the building element 12 at this position.
  • the construction robot 10 is dimensioned such that its total weight is less than 50 kg. If the construction robot 10 is retracted to a minimum length, as shown in Fig. 1 and Fig. 2, for example, it has a height of less than 1.5 m, for example.
  • the driving platform 14 takes up a base area of less than 60 x 60 cm. This also means that the construction robot 10 can be easily carried by a construction worker and can be transported within normal buildings, for example from one room to another.
  • the construction robot 10 also has an operating mode selector switch 42 (see in particular Fig. 2).
  • the operating mode selector switch 42 makes it possible to operate the construction robot 10 in a first operating mode in which it automatically moves to the working position 20 with its tool 18.
  • the construction robot 10 can be controlled by hand.
  • the lifting device 16 can be manually pivoted in a desired direction by applying appropriate directed pressure.
  • Fig. 4 shows a schematic of an IMU 44.
  • the IMU 44 is located on the carrier 34 and is therefore not visible in the view of the construction robot 10 from below in Fig. 4.
  • Fig. 4 shows a center point M of the carrier 34.
  • the construction robot 10 is configured to use the IMU 44 to measure accelerations and angles of inclination of the carrier 34 relative to the horizontal. This allows, for example, unevenness in the ground to be detected using the IMU 44.
  • the construction robot 10 is also configured to use the height adjustments 32 to compensate for such angles of inclination and/or unevenness, in particular during a movement of the driving platform 14, so that the construction robot 10 is continuously protected against tipping over.
  • Fig. 5 shows a simplified part of the lifting device 16.
  • Fig. 5 shows that the tool 18 contacts the building element 12 at an angle at the working position 20.
  • the impact angle alpha which is in particular different from zero, between the longitudinal axis A of the tool 18 and the surface normal N results from the working position 20.
  • the angle of incidence alpha in Fig. 5 is considerably exaggerated.
  • the angle of incidence alpha can be less than 10°, in particular less than 5°, particularly preferably less than 1°, and for example more than 0.1°.
  • the center point M of the carrier 34 (see Fig. 2) is spaced horizontally by a distance L from a plumb point LP, which results from the plumb line dropped onto the ground at the working position 20.
  • the center point M is thus also spaced horizontally by the distance L from the working position 20.
  • the construction robot 10 is thus set up to carry out construction work, here drilling a hole, at the work position 20, even if the driving platform 14, in particular the center point M, is not located vertically below the work position 20. This saves the driving platform 14 having to be maneuvered accordingly in order to bring the center point M vertically below the work position 20. It can be seen that this also makes it possible to reach work positions 20 that would otherwise not be accessible due to a lack of free space for the driving platform 14. In particular, edge areas of the building elements 12 can thus be reached at all or at least more easily.
  • the impact angle can be adjusted by manually guiding the lifting device 16.
  • the lifting device 16 can be pivoted by applying pressure to it.
  • the construction robot 10 is set up to limit a maximum permitted deflection and thus the maximum achievable impact angle alpha to such an extent that the construction robot 10 cannot tip over at any time in this operating mode either.
  • the construction robot 10 is set up to adjust or support the respective achieved inclination of the lifting device 16 and thus the impact angle alpha by adjusting the height adjustments 32.
  • this leads, for example, to a manually set inclination of the lifting device 16 being maintained after the lifting device 16 is released. The user can thus move to the working position 20 with the tool 18 by extending the lifting device 16, for example controlled by a remote control (not shown).
  • the path of a line light beam marking the working position 20, for example a correspondingly aligned laser beam can be detected.
  • the position of the working position 20 can be deduced from the detected path of the line light beam. If, for example, it is known that the line light beam is aligned exactly vertically, an angle of inclination of the lifting device 16 can be determined alternatively or additionally with the help of the three line light sensors 24, 26, 28.
  • Fig. 6 shows a schematic representation of a line laser 50, which marks the position of several working positions 20 on the building element 12, which are spaced apart from one another by a predefined, constant distance, using a line light beam 52.
  • the line laser 50 is a continuous light laser.
  • the line light beam 52 is emitted from the line laser 50 with a beam angle of, for example, 180°. It thus marks a continuous line 54 along the building element 12.
  • the line light beam 52 strikes the line light sensors 24, 26, 28 and in particular their respective sensor lines 29 (see Fig. 1).
  • Fig. 7 shows the construction robot 10 in the situation according to Fig. 6 in a view from the front.
  • the line light beam 52 is offset by an offset distance dv to the longitudinal axis A of the tool 18.
  • the tool 18 is thus aligned with a target point 62 on the building element 12 that is spaced from the working point 20.
  • the line light beam 52 strikes the line light sensors 24, 26 and 28 at impact points AP1, AP2, AP3.
  • the lifting device 16 is aligned vertically so that the longitudinal axis A runs parallel to the line light beam 52, which is also aligned vertically.
  • the distances of the impact points AP1, AP2 and AP3 from the longitudinal axis A in this example correspond to the offset distance dv. If the line light beam 52 were not parallel to the longitudinal axis A, different distances would result on the individual line light sensors 24, 26, 28, so that an inclination of the longitudinal axis relative to the line light beam 52 can be concluded from these differences.
  • the construction robot 10 measures these distances of the impact points AP1, AP2 and AP3 from the longitudinal axis A and determines the offset distance dv from this. From this, the construction robot 10 then determines the impact angle alpha (see Fig. 5) according to which the lifting device 16 and thus the tool 18 are to be pivoted along the direction marked with an arrow in Fig. 7 so that the tool 18 can move to the working position 20. As described in connection with Fig. 5, the construction robot 10 then pivots the lifting device 16 by the determined impact angle alpha to compensate for the offset distance dv and to align the tool 18 to the impact point of the line light beam 52 on the building element 12 and thus to one of the working positions 20.
  • the second coordinate x can be used.
  • Fig. 8 shows a method 1000 for controlling a construction robot.
  • the method 1000 is also illustrated using the example of drilling holes at the working positions 20 of the building element 12 with the aid of a construction robot, for example the construction robot 10.
  • the construction robot 10 moves with the aid of its driving platform 14 into the beam path of the line light beam 52 so that the line light beam hits the line light sensors 24, 26, 28 at the impact points AP1, AP2, AP3. It maneuvers the driving platform 14 until the laser distance meter 48 detects and recognizes the position marking 58 with its measuring beam 56.
  • the driving platform 14 moves along the line light beam 52 until the second coordinate x corresponds to the next work position 20 to be processed.
  • the movement of the driving platform 14 takes place with continuous monitoring of the impact points AP1, AP2, AP3 and, if necessary, corresponding corrective movements so that the line light beam 52 does not drift away from the sensor lines 29.
  • the construction robot 10 determines the offset distance dv and from this the required impact angle alpha in a phase 130.
  • the construction robot 10 pivots its lifting device 16 according to the determined impact angle alpha in order to move the tool 18 to the next to align the work position 20 to be processed as described in connection with Fig. 5.
  • the construction robot 10 thus moves the tool 18 depending on the positions of the impact points AP1, AP2 and AP3 of the line light beam 52 on the construction robot 10.
  • the construction robot 10 thus moves the tool 18 depending on the distances of the impact points AP1, AP2, AP3 from the longitudinal axis A.
  • the construction robot 10 extends the lifting device 16 in order to move the tool 18 to this working position 20.
  • the machine tool 17 is activated so that the tool 18 begins to drill a hole at the working position 20.
  • the lifting device 16 is adjusted in accordance with the drilling progress.
  • the lifting device 16 is at least partially retracted again to pull the tool 18 out of the hole.
  • the machine tool 17 is then deactivated.
  • the method 1000 can be repeated in an abbreviated manner starting with phase 120, i.e. the detection of the relative position.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (1000) zur Steuerung eines Bauroboters (10), wobei der Bauroboter (10) gesteuert wird, mit einem an einem Manipulator des Bauroboters (10) befindlichen Werkzeug (18) zumindest eine Arbeitsposition (20) auf einem Gebäudeelement (12), wobei die Arbeitsposition (20) mit Hilfe wenigstens eines Linienlichtstrahls (52) markiert wird, anzufahren. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass der Bauroboter (10) den Manipulator und / oder das Werkzeug (18) in Abhängigkeit von einer Position eines Auftreffpunkts (AP1, AP2, AP3) des Linienlichtstrahls (52) auf dem Bauroboter (10) bewegt.

Description

Verfahren zur Steuerung eines Bauroboters und Bauroboter
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Bauroboters, wobei der Bauroboter gesteuert wird, mit einem an einem Manipulator des Bauroboters befindlichen Werkzeug zumindest eine Arbeitsposition auf einem Gebäudeelement anzufahren, wobei die Arbeitsposition mit Hilfe wenigstens eines Linienlichtstrahls markiert wird. An der Arbeitsposition kann dann der Bauroboter eine Bauarbeit ausführen.
Dazu kann zunächst das durch den Linienlichtstrahl auf dem Gebäudeelement gezeichnete Lichtbild aufgenommen und mittels Bildverarbeitung ausgewertet werden, um eine Position der markierten Arbeitsposition zu ermitteln. Dann können eine Bauroboter-Position und eine Bauroboter-Lage des Bauroboters ermittelt werden. Diese verschiedenen Daten können zusammengeführt werden, um einen Weg zu ermitteln, auf dem das Werkzeug die Arbeitsposition anfahren kann.
Dieses Verfahren scheitert jedoch in vielen Fällen. Häufig befinden sich an Gebäudeelementen wie beispielsweise Gebäudedecken bereits Installationselemente oder dergleichen. Diese können die Sichtlinie zwischen dem Bauroboter und einer auf dem Gebäudeelement befindlichen Arbeitsposition unterbrechen, sodass der Bauroboter schon das Lichtbild der markierten Arbeitsposition nicht aufnehmen kann. Derartige Störobjekte, beispielsweise die genannten Installationselemente, können auch zu Fehlermittlungen der Position der Arbeitsposition führen. Beispielsweise kann es zu Verwechslungen zwischen einem auf ein Störobjekt treffenden Teil des Linienlichtstrahls und einem tatsächlich die Arbeitsposition auf dem Gebäudeelement markierenden Teil des Linienlichtstrahls kommen. Unterschiedliche Höhenlagen dieser verschiedenen Teile können zu einem für den Bauroboter scheinbaren Versatz der Arbeitsposition führen.
Wird die Arbeitsposition jedoch nicht korrekt ermittelt, kann dies dazu führen, dass Bauarbeiten an einer falschen Position ausgeführt werden. So kann es beispielsweise bei Bohrarbeiten dazu kommen, dass Löcher an ungeeigneten Positionen gebohrt werden. Bei Meißelarbeiten kann dies zu einer ungewollten Zerstörung des Gebäudeelements oder eines anderen, in der Nähe befindlichen Objekts führen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren bereitzustellen, durch das der Bauroboter in die Lage versetzt wird, mit dem Werkzeug eine durch einen Linienlichtstrahl markierte Arbeitsposition auf einem Gebäudeelement zuverlässig anzufahren. Weiter ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Bauroboter bereitzustellen, mit dessen Hilfe eine Bauarbeit an einer durch einen Linienlichtstrahl markierten Arbeitsposition zuverlässig ausführbar ist.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Steuerung eines Bauroboters, wobei der Bauroboter gesteuert wird, mit einem an einem Manipulator des Bauroboters befindlichen Werkzeug zumindest eine Arbeitsposition auf einem Gebäudeelement anzufahren, wobei die Arbeitsposition mit Hilfe wenigstens eines Linienlichtstrahls markiert wird, wobei der Bauroboter den Manipulator und / oder das Werkzeug in Abhängigkeit von einer Position eines Auftreffpunktes des Linienlichtstrahls auf dem Bauroboter bewegt.
Der Erfindung liegt dabei unter anderem der überraschende Gedanke zugrunde, dass der Linienlichtstrahl, wenn er auf den Bauroboter trifft, selbst einen geradlinigen Weg vom Bauroboter zur Arbeitsposition beschreibt. Daten über einen Weg zur Arbeitsposition lassen sich somit nicht nur dadurch erhalten, dass die Arbeitsposition auf dem Gebäudeelement selbst untersucht wird, sondern auch dadurch, dass der Linienlichtstrahl, insbesondere abseits des Gebäudeelements, untersucht wird. Störeffekte wie die vorangehend beschriebene Unterbrechung der Sichtlinie, ein scheinbarer Versatz aufgrund von Störobjekten etc. können vermieden oder zumindest vermindert werden, wenn der Linienlichtstrahl nicht im Bereich des Gebäudeelements, sondern in direkter Nähe zum Bauroboter, insbesondere bei Auftreffen auf den Bauroboter, untersucht wird. Dadurch kann durch Erfassen der Position wenigstens eines Auftreffpunktes auf dem Bauroboter ein Weg zur Arbeitsposition mit sehr hoher Zuverlässigkeit ermittelt werden.
So ist denkbar, dass der Bauroboter detektiert, dass der Linienlichtstrahl am Werkzeug vorbei strahlt, d. h., dass das Werkzeug in seiner aktuellen Position jedenfalls die Arbeitsposition nicht erreicht. Dann kann der Bauroboter eingerichtet sein, eine Korrekturbewegung durchzuführen, die das Werkzeug wieder zumindest mit hinreichender Genauigkeit, entlang des Linienlichtstrahls ausrichtet.
Durch schrittweise Bewegungen kann so das Werkzeug entlang dem Linienlichtstrahl geführt werden, bis es schlussendlich die Arbeitsposition erreicht.
Dabei ist in der Regel zumindest bekannt, in welcher Richtung die Arbeitsposition zu erwarten ist. Von einer Arbeitsposition an einer Gebäudedecke ist beispielsweise bekannt, dass diese sich oberhalb des auf einem Gebäudeboden befindlichen Bauroboters befinden muss. Hieraus lässt sich somit ableiten, in welcher Richtung dem Linienlichtstrahl zu folgen ist.
Das Verfahren kann bei unterschiedlichen Arten von Linienlichtstrahlen einsetzbar sein. So kann der Linienlichtstrahl ein Dauerlichtstrahl sein. Denkbar ist auch, dass der Linienlichtstrahl einem oder mehreren wandernden Lichtpunkten entspricht, wie sie beispielsweise durch einen Rotationslaser erzeugt werden. Alternativ oder ergänzend kann es sich um gepulstes Licht handeln.
Vorzugsweise kann das Verfahren bei Licht im infraroten, sichtbaren oder ultravioletten Bereich verwendet werden. Denkbar ist alternativ oder ergänzend jedoch auch, das Verfahren bei elektromagnetischer Strahlung anderer Frequenzbereiche, beispielsweise Mikrowellen, einzusetzen. Vorzugsweise können dazu auf den jeweiligen Frequenzbereich angepasste Lichtsensoren, beispielsweise Infrarotsensoren, für sichtbares Licht geeignete Lichtsensoren, oder UV-Sensoren, eingesetzt werden.
Die Position des Auftreffpunkts kann insbesondere mit Hilfe wenigstens eines Zeilenlichtsensors oder eines Flächenlichtsensors bestimmt werden. Durch einen solchen Lichtsensor lässt sich ein länglicher Bereich bzw. ein flächiger Bereich entlang des Bauroboters hinsichtlich eines Auftreffens des Linienlichtstrahls überwachen, sodass sich der Linienlichtstrahl leichter auffinden lässt. Der Zeilenlichtsensor kann eine Breite von beispielsweise wenigstens 5 cm, insbesondere von wenigstens 10 cm, aufweisen. Der Flächenlichtsensor kann eine Fläche von beispielsweise wenigstens 5 cm x 5 cm aufweisen. Insbesondere der Zeilenlichtsensor kann ein ausgewogenes Verhältnis von Kosten zu überwachtem Bereich bieten.
Denkbar ist insbesondere, wenigstens zwei Positionen zweier verschiedener Auftreffpunkte des Linienlichtstrahls auf dem Bauroboter zu detektieren. Dies kann bereits mit einem einzelnen Flächenlichtsensor erfolgen. Es können dazu auch mehrere Lichtsensoren, beispielsweise mehrere Zeilenlichtsensoren und / oder Flächenlichtsensoren, die vorzugsweise voneinander beabstandet sind, verwendet werden. Insgesamt kann sich damit die Möglichkeit eröffnen, auch eine Ausrichtung des Linienlichtstrahls zu ermitteln.
Denkbar ist, wenigstens eine Position eines Auftreffpunkts auf dem Manipulator zu detektieren. Dazu kann ein Lichtsensor, beispielsweise ein Zeilenlichtsensor, am Manipulator und / oder am Manipulator angeordnet sein. Dann kann eine gegebenenfalls erforderliche Korrekturbewegung direkt aus der ermittelten Position des Auftreffpunkts abgeleitet werden. Eine zusätzliche Bestimmung einer Relativposition des Manipulators relativ zu einer Basis, beispielsweise einer Fahrplattform, des Bauroboters, kann sich somit erübrigen.
Mit dem Linienlichtstrahl können auch mehrere Arbeitspositionen markiert sein. Beispielsweise kann eine Bauaufgabe darin bestehen, mehrere Bauarbeiten entlang des Linienlichtstrahls in konstanten Abständen auf dem Gebäudeelement auszuführen. Beispielsweise kann eine Bauaufgabe darin bestehen, entlang des Linienlichtstrahls in das Gebäudeelement Löcher mit einem vorgegebenen Abstand zueinander zu bohren.
Für einen solchen Fall kann das Verfahren besonders geeignet sein, da es bereits vom Grundsatz her ermöglicht, dem Verlauf des Linienlichtstrahls zu folgen.
Um beispielsweise die Abstände zwischen den einzelnen Bauarbeiten bzw. Arbeitspositionen kontrollieren zu können, kann zusätzlich wenigstens eine zweite Koordinate, beispielsweise eine Distanz zu dem Gebäudeelement und / oder zu einem zweiten Gebäudeelement gemessen werden.
Der für das Verfahren verwendete Bauroboter kann eine Hubvorrichtung aufweisen. Die Hubvorrichtung kann Teil des Manipulators sein.
Bei einem Bauroboter, der zur Ausführung von Bauarbeiten an einer Gebäudedecke eingerichtet ist, kann es genügen, dass der Manipulator, insbesondere die Hubvorrichtung, lediglich einen Freiheitsgrad aufweist. Die Hubvorrichtung kann beispielsweise längenveränderlich sein. Sie kann teleskopierbar sein. Durch eine geringe Anzahl an Freiheitsgraden lassen sich Herstellungskosten einsparen. Auch kann der Manipulator für besonders hohe Lasten ausgelegt sein. Werden Positionen von wenigstens zwei verschiedenen Auftreffpunkten ermittelt, lässt sich der Verlauf des Linienlichtstrahls ermitteln.
Dieser Verlauf ist, zumindest im freien Raum, ebenfalls geradlinig. Somit kann vorgesehen sein, dass die Hubvorrichtung des Bauroboters abhängig von den Positionen von wenigstens zwei der Auftreffpunkte bewegt wird. Um eine Arbeitsposition an einer Gebäudedecke anzufahren, kann somit zunächst der Verlauf des Linienlichtstrahls ermittelt werden, insbesondere kann ein Neigungswinkel des Linienlichtstrahls beispielsweise relativ zu der Vertikalen und / oder relativ zu einer Oberflächennormalen der Gebäudedecke durch die Arbeitsposition ermittelt werden. Dann kann die Hubvorrichtung schräg gestellt werden, bis sie eine dem ermittelten Neigungswinkel entsprechende Lage einnimmt. Dann kann die Hubvorrichtung geradlinig ausgefahren werden, bis sie die Gebäudedecke erreicht. So kann das am Manipulator befindliche Werkzeug parallel zu zumindest einem Teil des Linienlichtstrahls geführt werden.
Daher kann es insgesamt vorteilhaft sein, die Hubvorrichtung abhängig von Positionen von wenigstens zwei der Auftreffpunkte relativ zu einer Vertikalen und / oder relativ zu einer in der Arbeitsposition fußenden Oberflächennormalen des Gebäudeelements schräg zu stellen.
In den Rahmen der Erfindung fällt des Weiteren ein Bauroboter zur Ausführung von Bauarbeiten an einem Gebäudeelement, umfassend eine mobile Plattform, einen Manipulator, an dem ein Werkzeug anordenbar und / oder angeordnet ist, sowie wenigstens einem Lichtsensor, wobei der Bauroboter eingerichtet ist, eine Position eines Auftreffpunktes eines Linienlichtstrahls auf dem Bauroboter mit Hilfe des Lichtsensors zu bestimmen.
Ein solcher Bauroboter bietet die Voraussetzungen, um das vorangehend beschriebene Verfahren umzusetzen.
Vorzugsweise kann der Bauroboter eine Steuerungseinheit aufweisen. Die Steuerungseinheit kann einen Rechner aufweisen. Der Rechner kann einen Prozessor und Speicher, in dem auf dem Prozessor ausführbarer Programmcode abgelegt ist, aufweisen. Der Programmcode kann derart ausgebildet sein, dass bei Ausführung des Programmcodes auf dem Prozessor das Verfahren durch den Bauroboter ausgeführt wird.
Der Bauroboter kann insbesondere eingerichtet sein, Positionen wenigstens zweier verschiedener Auftreffpunkte des Linienlichtstrahls auf dem Bauroboter zu bestimmen. Der Bauroboter kann wenigstens einen Lichtsensor, insbesondere einen Zeilenlichtsensor und / oder einen Flächenlichtsensor, aufweisen. Vorzugsweise kann er insgesamt wenigstens zwei Lichtsensoren aufweisen. Der Bauroboter kann insbesondere eingerichtet sein, anhand wenigstens zweier Lichtsensoren wenigstens zwei verschiedene Auftreffpunkte des Linienlichtstrahls zu detektieren. Mehrere Lichtsensoren können voneinander beabstandet angeordnet sein. Somit lassen sich Positionen von Auftreffpunkten aus einem besonders großen Bereich ermitteln. Somit kann der Verlauf des Linienlichtstrahls besonders präzise ermittelbar sein.
Der Bauroboter kann wenigstens einen Distanzmesser aufweisen, sodass unabhängig von dem Linienlichtstrahl weitere Daten zur Position der Arbeitsposition gewonnen werden können.
Denkbar ist auch, dass der Bauroboter eingerichtet ist, das vorangehend beschriebene Verfahren auszuführen. Dazu kann er eingerichtet sein, Bildaufnahmen des Lichtbildes aufzunehmen und auszuwerten. Hierdurch gewonnene Daten können zur Fehlerkompensation genutzt werden, um die Position der Arbeitsposition noch präziser und gegebenenfalls noch zuverlässiger bestimmen zu können.
Der Bauroboter kann eingerichtet sein, entlang des Linienlichtstrahls an einer Oberfläche des Gebäudeelements Bauarbeiten, insbesondere gleiche Bauarbeiten, an mehreren, voneinander gleich beabstandeten Arbeitsposition durchzuführen.
Der Bauroboter kann einen Distanzmesser, beispielsweise einen Laserdistanzmesser, aufweisen. Der Distanzmesser kann horizontal angeordnet und / oder ausgerichtet sein. Der Distanzmesser kann eingerichtet sein, eine Kennzeichnung, beispielsweise eine reflektierende Oberfläche, einer Positionsmarkierung zu erkennen. Er kann eingerichtet sein, nur dann zu messen, wenn diese Kennzeichnung, insbesondere die reflektierende Oberfläche, erkannt ist.
Der Bauroboter kann auch wenigstens einen odometrischen Wegmesser, insbesondere wenigstens einen Radodometriesensor, aufweisen. Messdaten des Distanzmessers können vorrangig vor odometrischen Messdaten priorisiert werden. Insbesondere, solange zwischen den odometrischen Messdaten und den Messdaten des Distanzmessers keine übermäßigen Abweichungen bestehen, lässt sich durch Nutzung der Messwerte des Distanzmessers die Systemgenauigkeit verbessern. Die mobile Plattform kann einen Fahrplattform umfassen. Für eine hinreichende Kippsicherheit kann die mobile Plattform, insbesondere die Fahrplattform, wenigstens drei, vorzugsweise voneinander unabhängige, Antriebspunkte aufweisen. Um die mobile Plattform bewegen zu können, kann wenigstens einer, vorzugsweise wenigstens zwei, der Antriebspunkte motorisch antreibbar sein. Ein Antriebspunkt kann beispielsweise einen Propeller, ein Rad, einen Kettenantrieb und / oder ein Antriebsbein umfassen.
Die Fahrplattform kann beispielsweise ein Räderfahrwerk umfassen. Das Räderfahrwerk kann beispielsweise drei oder vier Räder aufweisen.
Die mobile Plattform kann einen Träger aufweisen. Auf dem Träger kann der Manipulator angeordnet sein.
Die mobile Plattform kann eingerichtet sein, den Manipulator relativ zu einer Vertikalen und / oder zu einer Oberflächennormalen des zu bearbeitenden Gebäudeelements zu verschwenken. Dazu kann der Träger verschwenkbar an der mobilen Plattform angeordnet sein.
Rangierbewegungen der mobilen Plattform, insbesondere der Fahrplattform, können reduziert oder vermieden werden, wenn der Manipulator verschwenkt wird, bis das Werkzeug die Arbeitsposition erreicht. Dazu kann das Werkzeug, insbesondere mit seiner Längsachse, mit einem Auftreffwinkel schräg zur Oberflächennormalen des Gebäudeelements an der Arbeitsposition ausgerichtet sein oder werden.
Durch Verschwenken des Trägers und / oder des Manipulators können auch Unebenheiten eines Untergrunds, auf dem sich der Bauroboter befindet, ausgeglichen werden.
Der Manipulator kann an seinem freien Ende eine Werkzeugmaschine aufweisen. In der Werkzeugmaschine kann das Werkzeug aufgenommen sein.
Der Manipulator kann eine Hubvorrichtung umfassen. Insbesondere kann der Manipulator als Hubvorrichtung ausgebildet sein. Die Hubvorrichtung kann längenveränderlich, insbesondere teleskopierbar, sein. Ein solcher Manipulator kann sich besonders für Arbeiten an Gebäudedecken eignen. Der Bauroboter kann mit unterschiedlichen Arten von Werkzeugmaschinen und Werkzeugen verwendbar sein.
Beispiele von Werkzeugen können Bohrwerkzeuge, insbesondere zum Hammerbohren in Gestein, Stahlbohrwerkzeuge oder Holzbohrwerkzeuge, Meißelwerkzeuge oder Setzwerkzeuge sein. Setzwerkzeuge können beispielsweise Werkzeuge zum Setzen, insbesondere zum Setzen von Befestigungselementen wie beispielsweise Schrauben, Nägeln, Ankern oder Dübeln, sein. Denkbar ist auch, dass das Werkzeug ein Markierwerkzeug, beispielsweise eine Farbsprühdüse umfassend, ist. Auch denkbar ist, dass das Werkzeug ein Überwachungswerkzeug und / oder ein Messwerkzeug ist, beispielsweise kann es einen Distanzmesser und / oder eine Kamera umfassen.
Entsprechend den Werkzeugen kann es sich bei den Werkzeugmaschinen um Bohrmaschinen, insbesondere Bohrhämmer, Meißelmaschinen, Setzgeräte, beispielsweise Direktsetzgeräte zum Setzen von Nägeln, Schraubmaschinen wie beispielsweise Schraubern mit oder ohne Schlag, oder dergleichen handeln.
Zur Steuerung ein oder mehrerer, vorzugsweise aller, vorangehend beschriebenen Funktionalitäten des Bauroboters kann der Bauroboter einen Steuercomputer aufweisen.
Der Steuercomputer kann einen Prozessor, eine Speichereinheit und einen auf dem Prozessor ausführbaren Programmcode aufweisen. Der Prozessor kann ein oder mehrere Unterprozessoren aufweisen. Der Programmcode kann eingerichtet sein, bei Ausführung auf dem Prozessor ein oder mehrere der Funktionalitäten, insbesondere alle Funktionalitäten, durch Steuerung der entsprechenden Elemente des Bauroboters zu implementieren.
Insbesondere ist denkbar, dass der Bauroboter, insbesondere ein Programmcode eines Steuercomputers des Bauroboters, eingerichtet ist, das vorangehend beschriebene Verfahren durch Steuerung von weiteren Elementen des Bauroboters durchzuführen.
Der Bauroboter kann einen Beschleunigungs- und / oder einen Neigungssensor, beispielsweise ein Inertialmessssystem, englisch: inertial measurement unit, im Folgenden als „IMU“ bezeichnet, aufweisen. Der Beschleunigungssensor und / oder der Neigungssensor können an der Fahrplattform angeordnet sein. Alternativ oder ergänzend können sie auch an der Hubvorrichtung und / oder an der Werkzeugmaschine angeordnet sein. Der Bauroboter kann zur Ausführung von Bauarbeiten auf einer Hochbau-Baustelle und / oder einer Tiefbau-Baustelle ausgebildet sein. Dementsprechend kann das Gebäudeelement beispielsweise eine Gebäudedecke, eine Gebäudewand und / oder einen Gebäudeboden umfassen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, sowie aus den Ansprüchen. Die dort gezeigten Merkmale sind nicht notwendig maßstäblich zu verstehen und derart dargestellt, dass die erfindungsgemäßen Besonderheiten deutlich sichtbar gemacht werden können. Die verschiedenen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen bei Varianten der Erfindung verwirklicht sein.
In der schematischen Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Bauroboter und ein Gebäudeelement in einer perspektivischen Schrägansicht,
Fig. 2 bis
Fig. 4 den Bauroboter gemäß Fig. 1 in einer Ansicht von der Seite, in einer Ansicht von oben und in einer Ansicht von unten,
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Auftreffwinkels des Bauroboters auf das Gebäudeelement,
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Linienlasers, der mehrere Arbeitspositionen mithilfe eines Linienlichtstrahls markiert, wobei der Linienlichtstrahl durch den Bauroboter detektiert wird,
Fig. 7 den von dem Linienlichtstrahl angestrahlten Bauroboter in einer Ansicht von vorne und
Fig. 8 ein Verfahren zur Steuerung eines Bauroboters.
In der nachfolgenden Beschreibung der Figuren werden zur Erleichterung des Verständnisses für gleiche oder sich funktional entsprechende Elemente über die verschiedenen Figuren hinweg jeweils die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Fig. 1 zeigt einen Bauroboter 10 zur Bearbeitung eines Gebäudeelements 12. Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht des Bauroboters 10. Fig. 3 und Fig. 4 zeigen eine Ansicht des Bauroboters 10 von oben beziehungsweise von unten.
Der Bauroboter 10 umfasst eine mobile Plattform in Form einer Fahrplattform 14, einen Manipulator in Form einer Hubvorrichtung 16 und eine an der Hubvorrichtung 16 angeordnete Werkzeugmaschine 17. In der Werkzeugmaschine 17 ist ein Werkzeug 18 aufgenommen. Das Werkzeug 18 kontaktiert eine Arbeitsposition 20 auf dem Gebäudeelement 12. Entlang der Hubvorrichtung 16 befinden sich ein Prisma 22 sowie ein erster Zeilenlichtsensor 24, ein zweiter Zeilenlichtsensor 26 sowie ein dritter Zeilenlichtsensor 28. Weiter weist der Bauroboter 10 einen Steuercomputer 46 auf. Weiter weist der Bauroboter auf einer Rückseite, insbesondere auf der den Zeilenlichtsensoren 26, 28 gegenüberliegenden Seite, einen Laserdistanzmesser 48 auf. Die Werkzeugmaschine 17 ist als Bohitiammermaschine ausgebildet. Das Werkzeug 18 ist ein Betonbohrer.
Das Gebäudeelement 12 ist eine Gebäudedecke aus Stahlbeton.
Der Bauroboter 10 ist eingerichtet, an der Arbeitsposition 20 ein Loch in das als Gebäudedecke ausgebildete Gebäudeelement 12 zu bohren.
Die Zeilenlichtsensoren 24, 26, 28 sind eingerichtet, die Position auftreffender Lichtstrahlen oder Lichtpunkte zu detektieren. Dazu weisen sie jeweils eine lichtempfindliche Sensorzeile 29 auf. Zur Vereinfachung der Darstellung ist in Fig. 1 lediglich eine der Sensorzeilen 29 mit einem Bezugszeichen versehen. Die lichtempfindliche Sensorzeilen 29 können eine Breite von beispielsweise 10 cm aufweisen. Über die Breite der Sensorzeilen 29 erstrecken sich jeweils Matrizen aus lichtempfindlichen Einzelsensoren.
Der erste Zeilenlichtsensor 24 und der zweite Zeilenlichtsensor 26 sind vertikal versetzt übereinander angeordnet. Der dritte Zeilenlichtsensor 28 ist schräg nach vorne unterhalb des zweiten Zeilenlichtsensors 26 angeordnet.
Das Prisma 22 kann, insbesondere in Verbindung mit einer Totalstation, alternativ oder ergänzend verwendet werden, um eine Position und / oder Lage des Bauroboters 10 und insbesondere des Werkzeugs 18 zu ermitteln.
Die Fahrplattform 14 weist vier Antriebspunkte 30 auf, von denen aus Darstellungsgründen in Fig. 1 lediglich drei Antriebspunkte 30 zu erkennen sind. Die Antriebspunkte 30 weisen Räder auf. Die Räder sind direktionale Räder. Es ist nicht notwendig, jedoch denkbar, dass die Räder omnidirektionale Räder sind.
Jeder der Antriebspunkte 30 weist eine Höhenverstellung 32 auf. Die Höhenverstellungen 32 greifen an einem Träger 34 an. Auf dem Träger 34 ist die Hubvorrichtung 16 angeordnet. Mit Hilfe der Höhenvorstellungen 32 lässt sich somit der Träger 34 verschwenken. Durch Verschwenken des Trägers 34 lassen sich somit auch die Hubvorrichtung 16 und die an ihr angeschlossenen Werkzeugmaschine 17 und damit das Werkzeug 18 verschwenken. Wie noch weiter unten im Zusammenhang mit Fig. 5 näher erläutert werden wird, kann der Bauroboter 10 somit mithilfe der Höhenvorstellungen 32 der Fahrplattform 14 die Hubvorrichtung 16 und damit die Werkzeugmaschine 17 mit ihrem Werkzeug 18 relativ zu einer Oberflächennormalen des Gebäudeelements 12 verschwenken.
Die Höhenverstellungen 32 sind selbsttätig blockierend ausgebildet. Dazu können sie beispielsweise ein Schneckengetriebe aufweisen. Somit verstellen sich die Höhenvorstellungen 32 und damit ein Neigungswinkel der Fahrplattform 14 nur dann, wenn die Schneckengetriebe, beispielsweise mithilfe eines Stellmotors, bewegt werden.
Die Hubvorrichtung 16 weist einen einzigen Freiheitsgrad auf. Insbesondere ist sie längenveränderlich. Wie insbesondere aus Fig. 2 erkennbar, lässt sich mit Fixierhebeln 36 ein unterer Teil 38 der Hubvorrichtung 16 lösen, manuell entlang der übrigen Hubvorrichtung 16 verschieben und anschließend wieder an der übrigen Hubvorrichtung 16 fixieren. Somit lässt sich der Bauroboter 10 zunächst manuell grob auf eine erste Länge beziehungsweise Höhe einstellen, von der aus der Bauroboter 10 selbsttätig einen oberen Teil 40 der Hubvorrichtung 16 je nach Bedarf, insbesondere elektrisch angetrieben, so weit ausfahren kann, dass das Werkzeug 18 die Arbeitsposition 20 erreicht oder gegebenenfalls an dieser in das Gebäudeelement 12 eindringt.
Insgesamt ist der Bauroboter 10 derart dimensioniert, dass sein Gesamtgewicht unter 50 kg beträgt. Ist, wie beispielsweise in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt, der Bauroboter 10 bis zu einer minimalen Länge eingefahren, so weist er eine Höhe von beispielsweise weniger als 1 ,5 m auf. Die Fahrplattform 14 nimmt eine Grundfläche von weniger als 60 x 60 cm ein. Auch dadurch ist der Bauroboter 10 problemlos von einem Bauarbeiter tragbar und lässt sich innerhalb üblicher Gebäude beispielsweise von einem Raum in einen anderen transportieren.
Der Bauroboter 10 weist ferner einen Betriebsmoduswahlschalter 42 (siehe insbesondere Fig. 2) auf. Der Betriebsmoduswahlschalter 42 ermöglicht es, den Bauroboter 10 in einem ersten Betriebsmodus zu betreiben, indem dieser selbsttätig die Arbeitsposition 20 mit seinem Werkzeug 18 anfährt. In einem zweiten Betriebsmodus lässt sich der Bauroboter 10 mittels Handführung steuern. Insbesondere lässt sich in dem zweiten Betriebsmodus die Hubvorrichtung 16 durch entsprechenden gerichteten Druck manuell in eine gewünschte Richtung verschwenken.
In Fig. 4 ist schematisch eine IMU 44 abgebildet. Die IMU 44 befindet sich auf dem Träger 34 und ist daher in der Ansicht des Bauroboters 10 von unten in Fig. 4 nicht sichtbar.
Ferner zeigt Fig. 4 einen Mittelpunkt M des T rägers 34.
Der Bauroboter 10 ist eingerichtet, mit Hilfe der IMU 44 Beschleunigungen und Neigungswinkel des Trägers 34 gegen die Horizontale zu messen. Somit lassen sich beispielsweise Unebenheiten des Untergrundes mit Hilfe der IMU 44 detektieren. Der Bauroboter 10 ist ferner eingerichtet, mit Hilfe der Höhenverstellungen 32 derartige Neigungswinkel und / oder Unebenheiten, insbesondere während einer Bewegung der Fahrplattform 14, zu kompensieren, sodass der Bauroboter 10 durchgängig gegen Umstürzen gesichert ist.
Anhand von Fig. 5 soll näher erläutert werden, wie das Werkzeug 18 mit seiner Längsachse A unter einem Auftreffwinkel alpha schräg zu einer Oberflächennormalen N des zu bearbeitenden Gebäudeelements 12 ausgerichtet wird.
Dazu zeigt Fig. 5 vereinfachend einen Teil der Hubvorrichtung 16. Insbesondere zeigt Fig. 5, dass das Werkzeug 18 an der Arbeitsposition 20 das Gebäudeelement 12 schräg kontaktiert.
Somit ergibt sich der, insbesondere von Null verschiedene, Auftreffwinkel alpha zwischen der Längsachse A des Werkzeugs 18 und der Oberflächennormalen N durch die Arbeitsposition 20.
Da in diesem Fall das Gebäudeelement 12 entsprechend einer Gebäudedecke horizontal verläuft, verläuft in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Oberflächennormale N auch parallel zu einer Vertikalen V.
Dabei ist aus Darstellungsgründen der Auftreffwinkel alpha in Fig. 5 erheblich überzeichnet. Bei einem tatsächlichen Anwendungsfall kann der Auftreffwinkel alpha weniger als 10°, insbesondere weniger als 5°, besonders bevorzugt weniger als 1 °, sowie beispielsweise mehr als 0,1 °, betragen.
Zu erkennen ist, dass durch die Schrägstellung des Werkzeugs 18 entsprechend dem Auftreffwinkel alpha der Mittelpunkt M des Trägers 34 (siehe Fig. 2) um eine Distanz L horizontal beabstandet von einem Lotpunkt LP, der sich aus dem auf den Untergrund gefällten Lot der Arbeitsposition 20 ergibt, ist. Damit ist der Mittelpunkt M ebenfalls um die Distanz L horizontal beabstandet von der Arbeitsposition 20. Somit ist der Bauroboter 10 eingerichtet, eine Bauarbeit, hier Bohren eines Loches, an der Arbeitsposition 20 zu verrichten, selbst wenn sich die Fahrplattform 14, insbesondere der Mittelpunkt M, nicht vertikal unterhalb der Arbeitsposition 20 befindet. Somit bleibt es erspart, dass die Fahrplattform 14 entsprechend rangiert wird, um den Mittelpunkt M vertikal unter die Arbeitsposition 20 zu bringen. Es ist erkennbar, dass damit auch Arbeitspositionen 20 erreichbar werden, die sonst mangels freien Raums für die Fahrplattform 14 sonst nicht erreichbar wären. Insbesondere Randbereiche des Gebäudeelemente 12 können dadurch überhaupt oder zumindest einfacher erreichbar sein.
Im zweiten Betriebsmodus, also dem manuellen Betriebsmodus, ist der Auftreffwinkel durch Handführung der Hubvorrichtung 16 einstellbar. Insbesondere lässt sich die Hubvorrichtung 16 durch Druck auf diese verschwenken. Dabei ist der Bauroboter 10 eingerichtet, eine maximal erlaubte Auslenkung und damit den maximal erreichbaren Auftreffwinkel alpha so weit zu begrenzen, dass der Bauroboter 10 auch in diesem Betriebsmodus zu keinem Zeitpunkt umstürzen kann.
In beiden Betriebsmodi ist der Bauroboter 10 eingerichtet, die jeweils erreichte Neigung der Hubvorrichtung 16 und damit des Auftreffwinkels alpha durch Nachführen der Höhenverstellungen 32 einzustellen beziehungsweise abzustützen. Im zweiten Betriebsmodus führt dies beispielsweise dazu, dass eine manuell eingestellte Neigung der Hubvorrichtung 16 nach Loslassen der Hubvorrichtung 16 erhalten bleibt. Somit kann der Benutzer durch Ausfahren der Hubvorrichtung 16, beispielsweise gesteuert über eine nicht abgebildete Fernsteuerung, die Arbeitsposition 20 mit dem Werkzeug 18 anfahren.
Mit Hilfe der drei Zeilenlichtsensoren 24, 26, 28 kann der Verlauf eines die Arbeitsposition 20 markierenden Linienlichtstrahls, beispielsweise ein entsprechend ausgerichteter Laserstrahl, detektiert werden. Aus dem detektierten Verlauf des Linienlichtstrahls kann auf die Position der Arbeitsposition 20 geschlossen werden. Ist beispielsweise bekannt, dass der Linienlichtstrahl exakt vertikal ausgerichtet ist, kann mit Hilfe der drei Zeilenlichtsensoren 24, 26, 28 alternativ oder ergänzend ein Neigungswinkel der Hubvorrichtung 16 ermittelt werden.
Dazu zeigt Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Linienlasers 50, der die Lage mehrerer, voneinander mit einem vordefinierten, konstanten Abstand beabstandeten Arbeitspositionen 20 auf dem Gebäudeelement 12 mithilfe eines Linienlichtstrahls 52 markiert. Der Linienlaser 50 ist ein Dauerlichtlaser. Der Linienlichtstrahl 52 wird mit einem Abstrahlwinkel von beispielsweise 180° vom Linienlaser 50 abgestrahlt. Er markiert somit eine durchgehende Linie 54 entlang des Gebäudeelements 12.
An drei Auftreffpunkten AP1, AP2 und AP3 trifft der Linienlichtstrahl 52 auf die Zeilenlichtsensoren 24, 26, 28 und insbesondere auf deren jeweiligen Sensorzeilen 29 (siehe Fig. 1).
Mit seinem Laserdistanzmesser 48 misst der Bauroboter 10 mithilfe eines Messstrahls 56 eine zweite Koordinate x zu einer Positionsmarkierung 58. Die Positionsmarkierung 58 ist dazu als Reflektor ausgebildet. Sie ist an einer Wand 60 fixiert.
Fig. 7 zeigt den Bauroboter 10 in der Situation gemäß Fig. 6 in einer Ansicht von vorne.
Zu erkennen ist, dass der Linienlichtstrahl 52 um eine Versatzdistanz dv versetzt zur Längsachse A des Werkzeugs 18 verläuft. Somit ist das Werkzeug 18 auf einen von der Arbeitspunkt 20 beabstandeten Zielpunkt 62 auf dem Gebäudeelement 12 ausgerichtet.
Der Linienlichtstrahl 52 trifft an Auftreffpunkten AP1 , AP2, AP3 auf die Zeilenlichtsensoren 24, 26 und 28.
Im in Fig. 7 gezeigten Beispiel ist die Hubvorrichtung 16 vertikal ausgerichtet, sodass die Längsachse A parallel zum ebenfalls vertikal ausgerichteten Linienlichtstrahl 52 verläuft.
Daher entsprechen die Abstände der Auftreffpunkte AP1 , AP2 und AP3 von der Längsachse A in diesem Beispiel der Versatzdistanz dv. Bei einem nichtparallelen Verlauf des Linienlichtstrahls 52 zur Längsachse A würden sich unterschiedliche Abstände auf den einzelnen Zeilenlichtsensoren 24, 26, 28 ergeben, sodass aus diesen Unterschieden auf eine Neigung der Längsachse relativ zum Linienlichtstrahl 52 geschlossen werden kann.
Der Bauroboter 10 misst diese Abstände der Auftreffpunkte AP1 , AP2 und AP3 von der Längsachse A und bestimmt daraus die Versatzsatzdistanz dv. Aus dieser bestimmt der Bauroboter 10 anschließend den Auftreffwinkel alpha, (siehe Fig. 5) entsprechend welchem die Hubvorrichtung 16 und damit das Werkzeug 18 entlang der in Fig. 7 mit einem Pfeil markierten Richtung zu verschwenken ist, damit das Werkzeug 18 die Arbeitsposition 20 anfahren kann. Wie im Zusammenhang mit Fig. 5 beschrieben, verschwenkt der Bauroboter 10 dann die Hubvorrichtung 16, um den bestimmten Auftreffwinkel alpha, um die Versatzdistanz dv zu kompensieren und das Werkzeug 18 auf den Auftreffpunkt des Linienlichtstrahls 52 auf dem Gebäudeelement 12 und damit auf eine der Arbeitspositionen 20 auszurichten.
Um die Position des Werkzeugs 18 entlang der Linie 54 festzustellen, kann die zweite Koordinate x herangezogen werden.
Fig. 8 zeigt ein Verfahren 1000 zur Steuerung eines Bauroboters.
Zur Erläuterung des Verfahrens 1000 wird auf die vorangehend beschriebenen Figuren 1 bis 7 sowie die dort eingeführten Bezugszeichen Bezug genommen.
Das Verfahren 1000 wird ebenfalls am Beispiel des Bohrens von Löchern an den Arbeitspositionen 20 des Gebäudeelements 12 mit Hilfe eines Bauroboters, beispielsweise dem Bauroboter 10, dargestellt.
In einer Startphase 110 bewegt sich der Bauroboter 10 mithilfe seiner Fahrplattform 14 in den Strahlengang des Linienlichtstrahls 52, sodass der Linienlichtstrahl auf die Zeilenlichtsensoren 24, 26, 28 an den Auftreffpunkten AP1 , AP2, AP3 auftrifft. Er rangiert die Fahrplattform 14, bis der Laserdistanzmesser 48 mit seinem Messstrahl 56 die Positionsmarkierung 58 erfasst und erkennt.
In einer Phase 120 fährt die Fahrplattform 14 so weit entlang des Linienlichtstrahl 52, bis die zweite Koordinate x der nächsten zu bearbeitenden Arbeitsposition 20 entspricht. Die Bewegung der Fahrplattform 14 erfolgt bei laufender Kontrolle der Auftreffpunkte AP1 , AP2, AP3 und gegebenenfalls entsprechender Korrekturbewegungen, so dass der Linienlichtstrahl 52 nicht von den Sensorzeilen 29 abdriftet.
Wie im Zusammenhang mit Fig. 7 beschrieben, ermittelt der Bauroboter 10 in einer Phase 130 die Versatzdistanz dv sowie daraus den erforderlichen Auftreffwinkel alpha.
Anschließend verschwenkt der Bauroboter 10 in einer Phase 140 seine Hubvorrichtung 16 entsprechend dem ermittelten Auftreffwinkel alpha, um das Werkzeug 18 auf die nächste zu bearbeitende Arbeitsposition 20 auszurichten wie im Zusammenhang mit Fig. 5 beschrieben. Somit bewegt der Bauroboter 10 das Werkzeug 18 in Abhängigkeit von den Positionen der Auftreffpunkt AP1 , AP2 und AP3 des Linienlichtstrahls 52 auf dem Bauroboter 10. Insbesondere bewegt der Bauroboter 10 damit das Werkzeug 18 in Abhängigkeit der Abstände der Auftreffpunkte AP1 , AP2, AP3 von der Längsachse A.
Sodann fährt der Bauroboter 10 in einer Phase 150 die Hubvorrichtung 16 aus, um mit dem Werkzeug 18 diese Arbeitsposition 20 anzufahren.
Sobald das Werkzeug 18 diese nächste zu bearbeitende Arbeitsposition 20 erreicht hat, führt er in einer Phase 160 die gewünschte Bauarbeit aus.
Gemäß dem hier zugrunde gelegten Beispiel wird insbesondere die Werkzeugmaschine 17 aktiviert, so dass das Werkzeug 18 beginnt, an der Arbeitsposition 20 ein Loch zu bohren. Zum Bohren wird die Hubvorrichtung 16 dem Bohrfortschritt entsprechend nachgeführt.
Sobald das Werkzeug 18 das Loch mit der gewünschten Tiefe gebohrt hat, wird die Hubvorrichtung 16 wieder zumindest teilweise eingefahren, um das Werkzeug 18 aus dem Loch herauszuziehen.
Anschließend wird die Werkzeugmaschine 17 deaktiviert.
Sofern noch weitere zu bearbeitende Arbeitspositionen 20 verbleiben, kann das Verfahren 1000 bei Phase 120, also dem Erfassen der Relativposition, beginnend in abgekürzter Weise wiederholt werden.
Sind alle Bauarbeiten an allen zu bearbeitenden Arbeitspositionen 20 ausgeführt, kann das Verfahren 1000 beendet werden. Bezugszeichenliste
10 Bauroboter
12 Gebäudeelement
14 Fahrplattform
16 Hubvorrichtung
17 Werkzeugmaschine
18 Werkzeug
20 Arbeitsposition
22 Prisma
24 Zeilenlichtsensor
26 Zeilenlichtsensor
28 Zeilenlichtsensor
29 Sensorzeile
30 Antriebspunkt
32 Höhenverstellung
34 Träger
36 Fixierhebel
38 unterer Teil
40 oberer Teil
42 Betriebsmoduswahlschalter
44 IMU
46 Steuercomputer
48 Laserdistanzmesser
50 Linienlaser
52 Linienlichtstrahl
54 Linie
56 Messstrahl
58 Positionsmarkierung
60 Wand
62 Zielpunkt
110 Startphase
120 Phase
130 Phase
140 Phase 150 Phase
160 Phase
1000 Verfahren
A Längsachse AP1 Auftreffpunkt
AP2 Auftreffpunkt
AP3 Auftreffpunkt
L Distanz
LP Lotpunkt M Mittelpunkt
N Oberflächennormale
V Vertikale alpha Auftreffwinkel dv Versatzdistanz x Zweite Koordinate

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren (1000) zur Steuerung eines Bauroboters (10), wobei der Bauroboter (10) gesteuert wird, mit einem an einem Manipulator des Bauroboters (10) befindlichen Werkzeug (18) zumindest eine Arbeitsposition (20) auf einem Gebäudeelement (12) anzufahren, wobei die Arbeitsposition (20) mit Hilfe wenigstens eines Linienlichtstrahls (52) markiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauroboter (10) den Manipulator und / oder das Werkzeug (18) in Abhängigkeit von einer Position eines Auftreffpunkts (AP1 , AP2, AP3) des Linienlichtstrahls (52) auf dem Bauroboter (10) bewegt.
2. Verfahren (1000) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Auftreffpunkts (AP1 , AP2, AP3) mit Hilfe wenigstens eines Zeilenlichtsensors (24, 26, 28) oder eines Flächenlichtsensors bestimmt wird.
3. Verfahren (1000) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Positionen zweier verschiedener Auftreffpunkte (AP1 , AP2, AP3) des Linienlichtstrahls (52) auf dem Bauroboter (10) detektiert werden.
4. Verfahren (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Position eines Auftreffpunkts (AP1 , AP2, AP3) auf dem Manipulator detektiert wird.
5. Verfahren (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich wenigstens eine zweite Koordinate (x), beispielsweise eine Distanz zu dem Gebäudeelement (12) und / oder zu einem zweiten Gebäudeelement (12), gemessen wird.
6. Verfahren (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Manipulator des Bauroboters (10) abhängig von Positionen von wenigstens zwei der Auftreffpunkte (AP1 , AP2, AP3) verschwenkt wird.
7. Verfahren (1000) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Manipulator abhängig von Positionen von wenigstens zwei der Auftreffpunkte (AP1 , AP2, AP3) relativ zu einer Vertikalen (V) und / oder relativ zu einer in der Arbeitsposition (20) fußenden Oberflächennormalen (N) des Gebäudeelements (12) schräg gestellt wird.
8. Bauroboter (10) umfassend eine mobile Plattform, beispielsweise eine Fahrplattform (14), einen Manipulator, beispielsweise eine Hubvorrichtung (16), an dem ein Werkzeug (18) anordenbar und / oder angeordnet ist, sowie wenigstens einen Lichtsensor, wobei der Bauroboter (10) eingerichtet ist, eine Position eines Auftreffpunktes (AP1 , AP2, AP3) eines Linienlichtstrahls (52) auf dem Bauroboter (10) mit Hilfe des Lichtsensors zu bestimmen.
9. Bauroboter (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauroboter (10) eingerichtet ist, Positionen wenigstens zweier verschiedener Auftreffpunkte (AP1 , AP2, AP3) des Linienlichtstrahls (52) auf dem Bauroboter (10) zu bestimmen.
10. Bauroboter (10) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauroboter (10) wenigstens insgesamt wenigstens zwei, insbesondere drei Zeilenlichtsensoren (24, 26, 28) und / oder Flächenlichtsensoren aufweist.
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