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Planning of indoor construction tasks for mobile manipulators = Planung von Bauaufgaben im Gebäudeinneren für mobile Manipulatoren
2023
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-06-06
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-08445
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/968147/files/968147.pdf
Einrichtungen
Projekte
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Aufgabenplanung (frei) ; Baurobotik (frei) ; construction robotics (frei) ; mobile Manipulatoren (frei) ; mobile manipulators (frei) ; task planning (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
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.The challenges of climate change, labour shortages and urbanisation require increased automation in the construction industry. In this context, mobile manipulators are used as indoor construction robots. The flexibility of these robots allows them to work on different building surfaces with numerous types of processes. Currently, these construction robots are operated as single systems, but in the future the formation of heterogeneous fleets will be indispensable. To enable the effective operation of such fleets of mobile manipulators, this thesis presents an approach for planning tasks in the field of indoor construction applications. First, a planning-oriented modelling of the properties of the building, the construction robots and the processes to be executed is introduced. The basis is provided by semantic maps, which are available through Building Information Modelling or 3D mapping. The construction robots are represented on the basis of function-oriented modules, which include manipulation, mobility, as well as process and auxiliary actions. A general process model is provided, which becomes executable by assigning process-specific constraints. For a holistic problem description, the models of the building, the construction robots and the processes are related to each other in a high-level planning model. Based on the problem description, a robot-level and a fleet-level planning problem are then formulated. The problem at robot-level describes how a construction robot processes a building surface. For this, mobility, manipulation and auxiliary costs are defined, which are derived from the individual robot modules and the process. The fleet-level problem assigns the building surfaces to the robots as tasks and determines the fleet performance. For this purpose, additional mobility and auxiliary costs are introduced, which result from the reciprocal influence of the robots within the respective building. Task allocations are made on the basis of all introduced cost forms through a sequential single-object auction. Finally, different solution methods for the presented planning problems are evaluated. At robot-level, the problem is solved for different test sets using a branch and bound method. For the fleet-level problem, four construction-specific heuristics and an evolutionary metaheuristic are applied. The results of the five solution methods are compared for twenty use cases of automated asbestos removal and their general applicability is investigated.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT030364049
Interne Identnummern
RWTH-2023-08445
Datensatz-ID: 968147
Beteiligte Länder
Germany
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