DE102020209308A1 - Method for carrying out a construction process when erecting a structure using at least one construction robot - Google Patents
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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.In the method, a digital construction plan or a digital construction object model is stored in an electronic evaluation and control unit, which contains the nominal dimensions and dimensional tolerances of the respective construction object and at least the external dimensions of workpieces relevant to the respective construction object. The current actual dimensions of the respective construction project are determined by means of at least one sensor and fed to the electronic evaluation and control unit. A construction robot is used to search for a workpiece to be subsequently installed. Once this workpiece has been found, the external dimensions of the workpiece that are relevant to the construction process are determined and dimensional deviations are thus calculated and a decision is made as to whether the respective workpiece is to be laid and/or assembled in a position corresponding to the construction project model or processed in advance in such a way that its external Dimensions after laying and / or placing at the respective position within dimensional tolerances.
Description
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 automatisierten Ausführung von Bauprozessen (z.B. Mauern oder Fliesenlegen) mithilfe eines mobilen Bauroboters.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) using a mobile construction robot.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf alle Verfahren, bei denen der Ausgleich von Werkstücktoleranzen nicht durch gemittelte Werkstückpositionierung oder Fugenmaßanpassung möglich ist und welche direkt auf der Baustelle ausgeführt werden.The invention relates in particular to all methods in which workpiece tolerances cannot be compensated for by averaged workpiece positioning or joint dimension adjustment and which are carried out directly on the construction site.
Fertigungs- und prozessbedingt entstehen bei vielen Bauprozessen (z. B. Verlegen 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 zwischen den Werkstücken verursacht. In Summe können diese Einzelabweichungen dazu führen, dass die zulässigen oberen und unteren Abmaße, welche im Bauplan vorgeschrieben sind, über- bzw. unterschritten werden. Zur Einhaltung der zulässigen Maßtoleranzen ist es notwendig, die aktuellen Abmaße regelmäßig zu erfassen, zu kontrollieren und wenn nötig die Werkstücke durch subtraktive oder additive Bearbeitung (z. B. Schneiden, Brechen, Brennen, Sägen, Fräsen, Auftragen) anzupassen.Manufacturing and process-related deviations in dimensions and position occur in many construction processes (e.g. laying bricks and tiles). These are caused, among other things, by tolerances in the length, width and height of the individual workpieces, as well as tolerances in the butt and horizontal joints between the workpieces. In total, these individual deviations can lead to the permissible upper and lower dimensions, which are 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, application).
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 verlegenden 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 absolute Positionsmesssysteme nur zur Grobpositionierung eingesetzt. Die Feinpositionierung erfolgt auch hier durch ein Relativmessverfahren oder durch die Kontrolle der Anpresskraft beim Verlegen der Werkstücke.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.
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.Systems with integrated devices for cutting the workpieces already exist. With these systems, the cutting is done solely on the basis of the planning data defined by the construction plan.
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 regelmäßig gemessen und mit den Nennmaßen und zulässigen Toleranzen verglichen werden. Zum anderen erfolgt keine Anpassung der Werkstücke in Abhängigkeit 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.With the existing mobile construction robotic systems, compliance with the permissible tolerances cannot be guaranteed. On the one hand, this is due to the fact that the actual dimensions of the respective building and the workpieces are not regularly measured and compared with the nominal dimensions and permissible tolerances. On the other hand, the workpieces are not adjusted depending on the current dimensional deviations. A practicable use, in which a construction according to applicable standards and guidelines (e.g. DIN 18202 - tolerances in building construction) must be guaranteed, cannot be guaranteed with the previous solutions.
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.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.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen können mit in abhängigen Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.According to the invention, this object is achieved with a method having the features of claim 1. Advantageous developments and embodiments can be implemented with features identified in the dependent claims.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahrensablauf definiert, welcher die Kontrolle und Überwachung der zulässigen Toleranzen sowie die Bearbeitung der Werkstücke beinhaltet. Zudem werden technische Lösungsmöglichkeiten zur Realisierung der einzelnen Verfahrensschritte beschrieben.To solve the task, a process sequence is defined, which includes the control and monitoring of the permissible tolerances as well as the processing of the workpieces. In addition, technical solutions for the implementation of the individual process steps are described.
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.In the case of the invention, 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.
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 this case, 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.
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 physikalischen Eigenschaften (Maße, Masse, Lage,..) von Werkstücken für das Bauprojekt gespeichert.The electronic evaluation and control unit also stores at least the relevant external dimensions of workpieces for the respective construction project and possibly also physical properties (dimensions, mass, position, ..) of workpieces relevant for the respective construction project.
Mittels mindestens eines Sensors oder einer Sensoreinrichtung werden die momentanen Istmaße des jeweiligen Bauprojekts bestimmt und der elektronischen Auswerte- und Steuereinheit zugeführt.The current actual dimensions of the respective construction project are determined by means of at least one sensor or a sensor device and fed to the electronic evaluation and control unit.
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 Sensoren genutzt werden.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 construction object and one or more sensors can be used.
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 ermittelten Maßabweichungen wird entschieden, 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 Montieren an der jeweiligen Position innerhalb von Maßtoleranzen liegen.After finding the workpiece to be subsequently installed, 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 laid and/or assembled at a position corresponding to the construction project model or is processed in advance so that its external dimensions are within dimensional tolerances after laying and/or assembling at the respective position.
Vorteilhaft können die jeweiligen Istmaße berührend oder bevorzugt berührungslos bestimmt werden.Advantageously, the respective actual dimensions can be determined by contact or preferably without contact.
Bei einer Entscheidung ob ein Werkstück vor dem Verlegen und/oder Montieren bearbeitet wird oder nicht, sollten im digitalen Bauprojekt hinterlegte Maßtoleranzen berücksichtigt werden.When deciding whether or not a workpiece is processed before laying and/or assembly, the dimensional tolerances stored in the digital construction project should be taken into account.
Die wesentliche Neuheit der Erfindung besteht in der Verknüpfung aus sensorischer Erfassung der Istmaße von Bauprojekt (Bauwerk) und Werkstück, der Bestimmung und Berechnung der Maßabweichungen, der Kontrolle der zulässigen Toleranzen und der Anpassung der Werkstücke in Abhängigkeit der Ergebnisse einer Maßtoleranzanalyse.The essential novelty of the invention consists in the linking of sensory detection 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 adaptation of the workpieces depending on the results of a dimensional tolerance analysis.
Die Erfindung bildet die Voraussetzung zur Einhaltung der zulässigen Toleranzmaße bei der automatisierten Ausführung von Bauprozessen mithilfe mobiler Robotersysteme und schafft somit die Grundlage für einen praxistauglichen 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 mögliche Werkstücke).The invention forms the prerequisite for maintaining 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).
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 Typbezeichnung des Werkstücks zählen. Mithilfe dieser Informationen kann der Roboter oder eine separate Fördereinheit nach einem geeigneten Werkstück (z. B. auf einer Palette oder in einem Materiallager) suchen.Before the laying or assembly process, the information about the workpiece to be installed is loaded from a digital construction plan or building model. This can include the type, geometry, material or type designation of the workpiece. Using 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).
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 Berührungssensoren 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 Sensoreinrichtung kann auch die Suche eines jeweiligen Werkstücks durchgeführt werden.Then, with the help of suitable sensors, the actual geometric dimensions and/or the shape of the respective workpiece are recorded. This can be done through the use of 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.
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.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.
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 einbezogen werden, welche u.a. Informationen zu den Fugen- und Spaltmaßen liefern. 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 Maßabweichungen und den zulässigen Maßtoleranzen, welche ebenfalls im digitalen Bauplan oder Bauprojektmodell hinterlegt sind, wird entschieden ob das Werkstück bearbeitet wird oder nicht. Für die Entscheidung können verschiedene Kriterien verwendet werden, welche auch die Unsicherheiten der ermittelten Istmaße sowie der berechneten Maßabweichungen berücksichtigen.With the help of the nominal dimensions of the construction object, which are contained in the digital construction project model, as well as the actual dimensions of the construction object and workpiece, 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. Alternatively, the information on the joint and gap dimensions can also be included in the nominal dimensions. Based on the calculated dimensional deviations and the permissible dimensional tolerances, which are also stored in the digital construction plan or construction project model, a decision is made as to whether the workpiece will be processed or not. 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.
Es besteht auch die Möglichkeit, die bei der Istmaßermittlung mit dem mindestens einen weiteren Sensor oder Sensoreinrichtung detektiert worden sind, zu berücksichtigen und mit entsprechenden Nennmaßen unter Berücksichtigung von Toleranzmaßen des digitalen Bauprojekts zu vergleichen, um zu bestimmen ob ein jeweiliges Werkstück vor dem Verlegen und/oder Montieren bearbeitet wird oder nicht.There is also the possibility of taking into account the at least one additional sensor or sensor device that has been detected when determining the actual dimensions and comparing them with corresponding nominal dimensions, taking into account tolerance dimensions of the digital construction project, in order to determine whether a respective workpiece is or assembling is processed or not.
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.If it is decided that the workpiece needs to be adjusted, it is adjusted using one or more processing devices, which can be integrated on the construction robot. After machining, the workpiece can be measured again in the sense of a machining check and, if necessary, machined again (iterative process). The workpiece is then installed by the robot.
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