Interconnecting design knowledge and construction by utilizing adaptability and configurability in robotics : mediating digital information from architectural design to construction through parametric design intent based robot programming

Stumm, Sven Christoph; Brell-Cokcan, Sigrid (Thesis advisor); Beetz, Jakob (Thesis advisor)

Aachen (2018, 2019)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Kurzfassung

In den verschiedenen Bauprojektenphasen wird eine große Menge an Konzept- und Planungswissen generiert. Diese Informationen werden in der Planung verwendet, gehen aber oft im Übergang zur Produktions- und Konstruktionsphase verloren. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Ansatz zur Robotik als Vermittler zwischen Planung und Produktion analysiert. Der Informationsfluss zwischen Building Information Management (BIM), Planung und Produktion wird untersucht. Aufgrund der Anforderungen innerhalb des Bauwesens müssen jedoch neue Konzepte für Planung, Produktion und Bauausführung entwickelt werden. In der Fertigungsindustrie wurde bereits ein neuer Arbeitsablauf von Entwurf bis zur Produktion ermöglicht, vor allem durch digitalisierte Maschinen sowie die virtuelle Inbetriebnahme von Fabriken. Der aktuelle Automatisierungsgrad in der Bauindustrie ist vor allem im Vergleich zur industriellen Produktion gering. Dies ist vor allem auf die Unterschiede im Arbeitsumfeld zurückzuführen. Aus der Betrachtung beider Bereiche lassen sich Anforderungen für die Bauautomatisierung ableiten. Aufgaben und Umgebungsbedingungen sind konstantem Wandel ausgesetzt und erfordern daher eine schnelle Konfigurierbarkeit der Maschinen. Darüber hinaus sind Anpassungsstrategien für Abweichungen und Materialtoleranzen erforderlich. Im Rahmen dieser Arbeit werden diese Anforderungen sowie Lösungsansätze durch Entwicklungen im Bereich Konzipierung, Produktion und Mensch-Maschine Kollaboration detailliert behandelt. Im Vordergrund steht ein kontinuierlicher Informationsfluss zwischen Konzipierung, Planung und Ausführung, sowie ein Informationsfeedback aus der Produktionsphase zurück zur Planung. Dies schafft neue Möglichkeiten für eine prozessorientierte Gestaltung. Darüber hinaus führt ein kontinuierliches Feedback zu neuen Erkenntnissen im Bereich Entwurf zur Produktion, insbesondere für den Architekten. Bisherige Automatisierungsversuche in der Bauausführung mit Spezialmaschinen für spezifische Aufgaben waren aufgrund ihrer geringen Flexibilität meist erfolglos. Bauaufgaben können sehr komplex sein. Der Einsatz von Spezialmaschinen für einzelne Aufgaben erfordert daher die Anpassung der Bauarbeiten an die automatisierten Prozesse. Dies führt zu zusätzlichen Kosten und Unterbrechungen des Arbeitsablaufs. Zusätzliche Kosten entstehen ebenso durch die Entwicklung, Implementierung und Wartung einer Lösung, die nur für eine kleine spezifische Einzelanwendung eingesetzt werden kann. Diese Arbeit analysiert den technologischen Fortschritt und die Kommunikationsstrategien in den aktuellen Informationssystemen, die zur Entwicklung neuer Paradigmen in der Industrie 4.0 führen. Aus diesem Grund werden Industrieroboter als Beispiel für vielseitige Maschinen betrachtet, die in der Lage sind, digitale Informationen zu verarbeiten und mit verschiedenen Endeffektoren ihre Umgebung zu beeinflussen. Es werden Konzepte entwickelt, die darauf abzielen, bei Bauprojekten zwischen der digitalen Planung und der physischen Realität zu vermitteln. Der Begriff planungsintentionsbasierte (Design Intent Based) Roboterprogrammierung wird geprägt und bezeichnet eine neue Form der Roboterprogrammierung, die sich aus verschiedene Ansätze in der Robotik zusammensetzt. Mit diesem Ansatz soll der Bereich der Baurobotik vorangebracht werden.