Baurobotik – Netzwerk für autonome Robotik, Cobotik und AI im Baubereich
Robotik im Baubereich
Autonome Robotik, Cobotik und AI im Baubereich mit Fokus auf technischen Innovationsanteilen und Risikobewältigung
Die Integration autonomer Robotik, kollaborativer Robotik (Cobotik) und künstlicher Intelligenz (AI) in die Baubranche zielt darauf ab, Effizienz, Sicherheit und Präzision von Vorrichtungen als auch Verfahren zu steigern.
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Projektskizze: Forschungs- und Entwicklungsthemen in Autonome Robotik, Cobotik und AI im Baubereich mit Fokus auf Technischen Innovationsanteilen und Risikobewältigung
Innovationsanteile
1. Autonome Baurobotik
Innovative Sensorik und Darstellungsverfahren: Durch den Einsatz fortschrittlicher Sensoren wie LiDAR und neue Darstellungstechniken aus der 3D-Bildverarbeitung sollen autonome Roboter eine präzise Geländeerkundung und Navigation in komplexen Baustellenumgebungen ermöglichen. Das Oberflächenmodell des Baugeländes soll automatisiert verfeinert werden können, indem boden- und luftgestützte Sensorik beginnend mit geringer Auflösung das gesamte Gelände (sowie die Ansicht der Umgebung) und in einer letzten Stufe höchstaufgelöst nur relevante Baubereiche erfaßt. Dabei sollen die durch alle Plattformen gewonnenen Sensordaten fusioniert werden (incl. der durch Menschen erfassten Daten). Die für den Einsatz notwendige Sensorik, Aktorik und die Plattformen selbst sollen in Abhängigkeit des Baugeländes und -projektes automatisiert selektiert werden können.
Energieautonomie: Die Entwicklung robuster Energieversorgungssysteme stellt sicher, dass autonome Roboter über längere Zeiträume ohne menschlichen Eingriff betrieben werden können.
2. Cobotik im Baubereich
Fortgeschrittene Greif- und Manipulationsfähigkeiten: Innovative Mechanismen für Greif- und Manipulationsfähigkeiten sollen kollaborativen Robotern ermöglichen, präzise und sicher mit menschlichen Arbeitskräften zusammenzuarbeiten.
- Adaptives Lernen: Der Einsatz von maschinellem Lernen ermöglicht es kollaborativen Robotern, sich an wechselnde Baustellenbedingungen anzupassen und kontinuierlich ihre Fähigkeiten zu verbessern.
Expertensysteme: Unterqualifizierte Arbeitskräfte können durch die Integration von empathischen Expertensystemen in Baurobotikeinheiten oder in mobile Applikationen auch komplexere Bautätigkeiten durchführen. Personen- und Bauschäden, aber auch Schäden an der Baurobotik können minimiert werden. Darüber hinaus können durch kollaborative Bauroboter wiederkehrende Wartungsaufgaben vor Ort durch die Arbeitskräfte oder durch die autonome Robotik selbst durchgeführt werden.
Unbemenschte Luftfahrzeuge (UAS): Neben den bodengebundenen Baurobotiksystemen (Robotikhunde u. ä.) stellen Unbemenschte Luftfahrzeuge an die bedienenden Arbeitskräfte besondere Anforderungen, denen durch angepaßte Trainings- und Bediensysteme gerecht werden muß.
3. Künstliche Intelligenz im Baubereich
- Prädiktive Wartung: Der Einsatz von AI zur prädiktiven Wartung erfordert fortschrittliche Algorithmen, um potenzielle Ausfälle von Baumaschinen aus Sensordaten vorherzusagen.
Dynamische Planungssysteme: Die Entwicklung von AI-gesteuerten Planungssystemen erfordert innovative Ansätze zur Echtzeitoptimierung von Ressourcen und zeitlichen Abläufen.
4. Sensor-/Aktordatenoptimierung im Baubereich
AI-basierte Schlagbelastungsdämpfung: Als Querschnittstechnologie soll für obige Bereiche ein Stoß- und Schwingungsminimierungsmodul zur Dämpfung hoher Schlagbelastungen konzipiert und entwickelt werden. Dazu sollen diese Bausystemkomponenten (wie beispielsweise handgeführte Baumaschinen oder autonome Bauroboter bis hin zu Rammrohrgründungsbaugeräten) mit einem AI-optimierten Stoßisolationsprinzip kombiniert werden.
Technische Risiken
1. Autonome Baurobotik
- Unvorhersehbare Umgebungsbedingungen: Beeinträchtigungen durch thermische und mechanische Einflüsse können zu Fehlern bei der Geländeerkundung und Bauwerksbearbeitung führen.
- Energieeffizienz: Die Gewährleistung einer effizienten Energieversorgung für autonome Roboter über längere Zeiträume stellt eine Herausforderung dar, da die Anforderungen stark variieren können.
2. Cobotik im Baubereich
- Sicherheitsaspekte: Trotz fortschrittlicher Haptik-Sensoren besteht das Risiko von Kollisionen oder unerwarteten Bewegungen bei der Zusammenarbeit von Robotern und menschlichen Arbeitskräften.
- Lernverhalten: Das adaptive Lernen von kollaborativen Robotern könnte in komplexen Umgebungen zu unerwünschtem Verhalten führen.
Unbemenschte Luftfahrzeuge (UAS): Der Transfer von UAS-Technologien in weniger oder nicht kooperative Baustellenumgebungen birgt durch den dort vorherrschenden wesentlich höheren quantitativen und qualitativen Umfang von Einflußgrößen Risiken wie einen intensiveren HW- und SW-Aufwand bis hin zu technisch, ökonomisch oder ökologisch schwer oder nicht lösbaren Aufgaben. Die daran gebundene Entwicklung von XR-Systemen und deren Symbologien stellt eine sehr komplexe Entwicklungsphase inklusive intensiver Verifikation und Validierung dar.
3. Künstliche Intelligenz im Baubereich
- Genauigkeit der Vorhersagen: Die Genauigkeit der prädiktiven Wartung durch AI hängt von der Qualität der Daten und der Komplexität der Algorithmen ab, was potenziell zu Fehleinschätzungen führen könnte.
- Komplexe Bauprojekte: Die Dynamik von Bauprojekten und schwere Differenzierbarkeit von Rohbauten kann zu Herausforderungen bei der Echtzeitoptimierung durch AI führen.
4. Sensor-/Aktor-Datenoptimierung im Baubereich
- Leistungsfähigkeit: In welchem Umfang eine AI-basierte Schlagbelastungsdämpfung bei komplexen Geländebedingungen und Bauwerken zu einer hinreichenden Datenstabilisierung führen kann, kann erst mit einem Demonstrator verifiziert werden.
Risikobewältigung
- Umfassende Simulationen: Einsatz von virtuellen Umgebungen, um die Technologien unter verschiedenen Szenarien zu testen und Risiken frühzeitig zu identifizieren.
- Ständige Validierung: Regelmäßige Validierung der Funktionalitäten in realen Bauprojekten, um sicherzustellen, dass die Technologien den Anforderungen gerecht werden.
- Zusammenarbeit mit Experten: Einbindung von Experten aus den Fachbereichen Robotik, Bauingenieurwesen und Informatik, um Risiken zu analysieren und zu bewältigen.
Transfer von Bau-Luftfahrzeugtechnologien aus anderen Branchen: Bedien- und auch Trainingssysteme können aus luftfahrttechnischen Anwendungen für die Nutzung von UAS-Technologien in der Baurobotik transferiert werden. Dort werden derartige Systeme teilweise bereits seit Jahrzehnten eingesetzt und kontinuierlich verbessert.
- Einsatz komplementärer Technologien: Beispielsweise Piezoelementsysteme bieten bei der Schlagbelastungsdämpfung eine technische Rückfallebene.
Bildnachweis: Peeradontax/stock.adobe.com
Ansprechpartner: Netzwerk Baurobotik
Dr.-Ing. Daniel Bandow
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