Planning of indoor construction tasks for mobile manipulators

  • Planung von Bauaufgaben im Gebäudeinneren für mobile Manipulatoren

Haschke, Tobias; Corves, Burkhard (Thesis advisor); Schmitt, Robert H. (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2023)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Kurzfassung

Die Herausforderungen des Klimawandels, des Arbeitskräftemangels und der Urbanisierung erfordern eine verstärkte Automatisierung der Bauindustrie. In diesem Zusammenhang werden mobile Manipulatoren als Bauroboter im Gebäudeinneren eingesetzt. Die Flexibilität dieser Roboter ermöglicht es, verschiedene Gebäudeflächen mit zahlreichen Prozessen zu bearbeiten. Derzeit werden diese Bauroboter als Einzelsysteme betrieben, jedoch ist in Zukunft die Bildung heterogener Flotten unverzichtbar. Um den wirksamen Einsatz solcher Flotten zu ermöglichen, stellt diese Arbeit einen Ansatz zur Planung von Bauaufgaben im Gebäudeinneren vor. Zunächst wird eine planungsorientierte Modellierung der Eigenschaften des Gebäudes, der Bauroboter und der Bearbeitungsprozesse eingeführt. Grundlage bieten semantische Karten, welche durch Building Information Modelling oder 3D-Kartierungsverfahren vorliegen. Die Roboter werden mittels funktionsorientierter Module abgebildet, welche die Manipulation, Mobilität, sowie Prozess- und Nebentätigkeiten umfassen. Für die Prozesse wird ein allgemeines Grundmodell erzeugt, welches durch die Zuweisung prozessspezifischer Bedingungen ausführbar wird. Zur ganzheitlichen Problembeschreibung, werden die Gebäude-, Roboter- und Prozessmodelle in einem übergeordneten Planungsmodell zueinander in Beziehung gesetzt. Anschließend wird aus der Problembeschreibung je ein Planungsproblem auf Roboterebene und Flottenebene formuliert. Das Problem auf Roboterebene beschreibt, wie ein Bauroboter eine Gebäudefläche bearbeitet. Dafür werden Mobilitäts-, Manipulations- und Nebenkosten definiert, welche aus den Robotermodulen und dem Prozess berechnet werden. Das Problem auf Flottenebene weist die Gebäudeflächen den Robotern als Aufgaben zu und bestimmt die Flottenleistung. Dazu werden zusätzliche Mobilitäts- und Nebenkosten eingeführt, die sich aus der wechselseitigen Beeinflussung der Roboter innerhalb eines Gebäudes ergeben. Die Aufgabenallokation erfolgt dabei kostenbasiert durch eine sequentielle Einzelobjektauktion. Abschließend werden verschiedene Lösungsmethoden für die vorgestellten Planungsprobleme evaluiert. Auf Roboterebene wird das Problem für verschiedene Testsets mittels Branch-and-Bound-Methode gelöst. Für das Problem auf Flottenebene finden vier bauspezifische Heuristiken sowie eine evolutionäre Metaheuristik Anwendung. Die Ergebnisse der fünf Lösungsmethoden werden für zwanzig Anwendungsfälle der automatisierten Asbestsanierung verglichen und auf ihre allgemeine Anwendbarkeit hin untersucht.

Einrichtungen

  • Lehrstuhl und Institut für Getriebetechnik, Maschinendynamik und Robotik [411910]

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