Robotik am Bau - Eine Auslegeordnung

Roboter stehen nicht mehr nur in der Industrie, sondern erobern heute das private Wohnzimmer und stehen in unmittelbarer Interaktion mit den Menschen. Sowohl die Anwendungsbereiche als auch die Interaktionsformen sind vielfältig. Aufgrund der kontinuierlichen Weiterentwicklung modernster Technologien und Materialien sowie der globalen Vernetzung von physischen Gegenständen mit dem Internet (Internet of Things), ist durchaus davon auszugehen, dass in nicht allzu ferner Zukunft Roboter alles tun können, was ein Mensch auch tun kann - und das wesentlich günstiger, präziser, stärker und schneller als ein Mensch.

Die Robotik und insbesondere Roboter haben folglich auch das Potential, einen tiefgreifenden Wandel in der Baubranche auszulösen. Der Einsatz von Robotern auf Baustellen gilt unter Baupraktikern heute noch als illusorischer, visionärer (Alp)-Traum. Während die Pessimisten den Verlust der Arbeitsstelle durch Roboter befürchten, erhoffen sich die Optimisten eine kollaborative Zusammenarbeit zwischen Menschen und Roboter auf der Baustelle. Nun, die nachfolgende Auslegeordnung der Robotik im Bauwesen soll aufzeigen, dass Roboter längst zu einem realen Bestandteil des Baustellenalltags gehören. Bis jedoch humanoide Bauroboter Mitarbeiter auf der Baustelle ersetzen, dauert es noch eine Weile. Die Begründung liegt einerseits in der tiefen technologischen Reife sogenannter humanoider Bauroboter als auch in der komplexen Umwelt einer Baustelle. Bauarbeiten werden normalerweise unter komplexesten Bedingungen ausgeführt, welche sich in häufig wechselnden Standorten, Wetterschwankungen, Kontakt mit unterschiedlichsten Baustoffen oder auch der Fortbewegung auf unbefestigten Geländen charakterisieren.

 

Begriffserklärung

Der Begriff Roboter stammt vom tschechischen Wort Robota ab und bedeutet so viel wie "Arbeit". Der Begriff Roboter wiederum hat seinen Ursprung in Science-Fiction-Erzählungen. Er taucht erstmals 1921 in einem Theaterstück von Karel Capek auf: „Rossum's Universal Robots“. In dieser Geschichte entwickeln der Wissenschaftler Rossum und sein Sohn eine chemische Substanz, die sie zur Herstellung von Robotern verwenden. Der Plan war, dass die Roboter den Menschen gehorsam dienen und alle schwere Arbeit verrichten sollten. Nun, ohne hier mehr zu verraten, die Geschichte nimmt ein unglückliches Ende.

In der Literatur findet sich eine Vielzahl an Definitionen für den Begriff Roboter. Eine allgemein anerkannte Definition, festgelegt durch das Robot Institute of America (RIA), lautet: «Ein Roboter ist ein programmierbares Mehrzweck-Handhabungsgerät für das Bewegen von Material, Werkstücken, Werkzeugen oder Spezialgeräten. Der frei programmierbare Bewegungsablauf macht ihn für verschiedenste Aufgaben einsetzbar.» Eine ähnliche Definition findet sich in der DIN ISO EN 8373/2012. Demnach ist ein Roboter „ein automatisch gesteuerter, frei programmierbarer Mehrzweck-Manipulator, der in drei oder mehr Achsen programmierbar ist und zur Verwendung in der Automatisierungstechnik entweder an einem festen Ort oder beweglich angeordnet sein kann

Gemeinsam ist den meisten Definitionen, dass Roboter mindestens folgende Merkmale aufweisen:

  • Roboter sind mechanische Maschinen
  • Roboter besitzen mindestens eine Achse
  • Roboter sind steuerbar, programmierbar und vielseitig einsetzbar
  • Roboter sind mit Greifern, Fertigungsmitteln oder anderen Werkzeugen ausrüstbar

 

Die interdisziplinäre Wissenschaft der Roboter ist die Robotik, die Bezug auf verschiedenste wissenschaftliche Disziplinen, wie beispielsweise Mathematik, Informatik, Biologie und natürlich den Maschinenbau nimmt. Ein Roboter ist somit ein Zusammenspiel vieler unterschiedlichen Disziplinen.

Abbildung: Wissenschaftliche Disziplinen in der Robotik.

 

 

Ein Roboterklassifikations-Modell

In der Literatur finden sich unterschiedlichste Ansätze, um Roboter zu beschreiben und zu klassifizieren. Ein ganzheitlicher Ansatz, zur Beschreibung, Klassifizierung und dem Vergleich von Robotern findet sich in der Arbeit von Onnasch, Maier und Jürgensohn (2016), wonach Arten von Robotern anhand von vier spezifischen Merkmalen (Aufgabe, Einsatzgebiet, Morphologie & Autonomie) mit unterschiedlichen Ausprägungen beschrieben werden können. Um eine ganzheitliche Auslegung der Baurobotik zu gewährleisten, wird noch das Merkmal Mobilität für die Beschreibung von Baurobotern berücksichtig.

 

Abbildung: Roboter Klassifikationsmodell. Eigene Darstellung in Anlehnung an Onnasch et. al (2016).

 

Aufgaben

Das Merkmal der Aufgabe unterscheidet sich in der Art und Weise der Verrichtung an einem Arbeitsobjekt durch den Roboter zur Erfüllung eines bestimmten Ziels. Mit Bezug auf die Einsatzgebiete von Robotern findet man klassischerweise drei konkrete Aufgaben. Nachfolgend einige Beispiele.

 

Einsatzgebiet

Klassischerweise werden Roboter in erster Linie anhand des Einsatzgebietes und ihrer Mobilität unterschieden. Das Einsatzgebiet ist ein weiteres Unterscheidungsmerkmal von Robotern und ist grundsätzlich unbegrenzt – sei es in der Medizin, der Unterwasserwelt, der Bildung, der Landwirtschaft, der Försterei, dem Autobau, dem Weltraum oder eben auch auf der Baustelle. Die ISO Norm ISO 8373:2012 unterscheidet Roboter in Sachen Einsatzgebiete in Industrie- und Serviceroboter.

Industrieroboter kommen, wie der Name sagt, primär in der Industrie vor. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass Sie Sachgüter für den Konsum erstellen. Klassischerweise kennt man industrielle Bauroboter aus der Autoindustrie. Serviceroboter wiederum Erbringen Dienstleistungen für den Menschen oder an einer Sache. Serviceroboter zeichnen sich somit durch eine grössere Flexibilität und höhere Autonomie im Vergleich zu Industrierobotern aus. Als Beispiel kann ein intelligenter Rasenmäher-Roboter herangezogen werden.

Morphologie

Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal ist die sogenannte Morphologie eines Roboters. Die Morphologie ist die Lehre von Struktur und Formen der Organismen. In der Robotik unterscheidet man zwischen den drei morphologischen Robotertypen: Humanoide, Zoomorphe und funktionale Roboter. Humanoide Roboter erkennt man oft anhand ihrer menschähnlichen Körperform. Zoomorphe Roboter sind Roboter, welche der Tierwelt angelehnt sind. Funktionale Roboter wiederum haben ein rein funktionales Äusseres. Die Morphologie von Robotern dient in erster Linie dazu, bestimmte Assoziationen zu erzeugen oder Interaktionsängste mit Menschen zu mindern.

 

Mobilität

Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal ist die Mobilität von Robotern.

 

Stationäre Roboter sind an einem festen Standort befestigt und zeichnen sich durch einen vordefinierten Bewegungsablauf ab. Mobile Roboter wiederum können sich fortbewegen und damit Ihren Standort verlassen.

 

Autonomie

Das letzte Unterscheidungsmerkmal eines Roboters ist dessen Autonomie. Der Autonomiegrad beschreibt den Interventionsgrad durch den Menschen. Je autono­mer ein Roboter arbeiten kann, desto weniger muss der Mensch intervenieren. Der Autonomiegrad kann in vier Ausprägungen erfolgen, und zwar in der Autonomie der Informationsaufnahme, der Informationsverarbeitung, der Entscheidungsfindung und der Handlungsführung.

Abbildung: Roboterautonomie. Eigene Darstellung in Anlehnung an Onnasch et. al (2016).

 

Baurobotik

Einsatzgebiete im Bauhauptgewerbe

Das Einsatzgebiet von Robotern im Bauhauptgewerbe ist grundsätzlich unabhängig vom bauspezifischen Geschäftsmodell bzw. unabhängig vom Segment, der Aktivität und der eigentlichen Arbeitstätigkeiten.

 

Kategorien von Baurobotern

Mit Blick auf die in Kapitel 3 beschrieben Unterscheidungsmerkmale können unterschiedlichste Arten von Baurobotern beschrieben werden. Alan M. Lytle, Jonathan B. O’Brien & Kamel S. Saidi (2008) unterscheiden im Bauwesen die folgenden drei Kategorien von Baurobotern.

Abbildung: Kategorien von Baurobotern nach Alan M. Lytle, Jonathan B. O’Brien & Kamel S. Saidi (2008).

 

Die erste Kategorie von Baurobotern umfasst sogenannte teleoperierte Bauroboter. Teleoperierte Bauroboter zeichnen sich dadurch aus, dass der Bauroboter nicht autonom arbeitet bzw. dass der Mensch den Roboter steuert und jederzeit die vollständige Kontrolle haben muss. Die zweite Kategorie umfasst alle programmierbaren und computergesteuerten Bauroboter, die beispielsweise mit Sensoren ausgestattet sind. Die dritte Kategorie bezieht sich auf intelligente Bauroboter, die in der Lage sind, halb- oder vollständig autonom zu arbeiten. Schauen wir uns diese drei Bauroboterkategorien anhand einer spezifischen Baumaschine an, die auch die Definitionsmerkmale für Roboter (Kapitel 2) erfüllt – der Bagger!

  • Ein Beispiel für einen teleoperierten Bauroboter ist der klassische, durch menschenhandgesteuerte Baubagger ohne intelligente Unterstützungshilfen. Der Bagger ist folglich nur so intelligent wie der Mensch, der ihn bedient.
  • Die 3D-Baggersteuerung ist ein gutes Beispiel für einen programmierbaren Bauroboter bzw. Baubagger. So kann beispielsweise eine GNSS Basisstation Positions- und Korrekturdaten für alle auf der Baustelle mit GNSS ausgerüsteten Maschinen liefern und die 3D-Maschinensteurung im Baggern errechnet daraus alle notwendigen Infos für den Aushub.
  • Und was zeichnet einen intelligenten Bagger aus? Nun, ein Beispiel liefert die US-Firma Built Robotics mit hochintelligenten Baubaggern, die mit Hilfe von Rechner, Sensoren und künstlicher Intelligenz ohne menschliche Hilfe die Arbeiten ausführen können. Der Baggerführer übernimmt hier die Rolle des Überwachers.

 

Beispiele von Baurobotern

Backstein-Bauroboter

Das traditionelle Aufziehen einer Mauer setzt mindestens einen Mauerer, Mörtel und Backsteine voraus. Eine Alternative hierfür sind sogenannte Maurerroboter, welche bereits heute klassische Maurerarbeiten bei Bauprojekten übernehmen können. Ein Beispiel dafür findet sich in der Schweiz in Reichenburg im Werk der Firma TRIPEMA, wo Maurerroboter Backstein auf Backstein schichten, verkleben und so vollautomatisch Backsteinwände nach Mass herstellen.

 

Rovers & Mobile Kleinroboter

Die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine birgt viele Vorteile, da Maschinen spezifische Fähigkeiten aufweisen, die Menschen nicht besitzen und umgekehrt– Menschen besitzen Talente, die Maschinen heute noch nicht beherrschen. Einzelne Industrien, beispielsweise die Autoindustrie setzt schon länger auf sogenannte kollaborative Roboter. Je länger je mehr finden sich solche Ansätze auch in der Bauausführung. Ein Beispiel dafür ist der intelligente Rover der US-Firma DOXEL, der mit einem Scanner ausgestattet ist, sich autonom auf der Baustelle bewegt und den Baufortschritt mit dem BIM-Model abgleicht.

Aber auch in Europa und der Schweiz finden sich bereits solche Versuche. So unterstützen ab sofort zwei «Spots» der Firma Boston Dynamics die Mitarbeiter der Rhomberg Sersa Rail auf ihren Baustellen. Auch das Bauunternehmen Losinger Marazzi hat bereits erste Gehversuche mit ihrem Roboter «ANYmal» mit Fokus «Sicherheit im Bau» hinter sich.

 

Humanoider Bauroboter

Wie die vorangegangenen Ausführungen gezeigt haben, macht der technologische und digitale Fortschritt auch im Bauwesen nicht halt. Ist es aber vorstellbar, dass in nicht allzu ferner Zukunft humanoide Bauroboter als ebenbürtige Arbeitskraft zum Menschen auf Baustellen eingesetzt werden? Das Robotik-Unternehmen Boston Dynamics zeigt bereits heute, was humanoide Roboter alles leisten können.

Mit dem humanoiden Bauroboter HRP-5P hat das National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), eine Forschungseinrichtung des japanischen Staates, gezeigt, wie ein humanoider Bauroboter HRP-5P autonom Bauarbeiten ausführt. Teleoperierte und Programmierbare Bauroboter sind heute im Bauhauptgewerbe allgegenwärtig vertreten und werden kontinuierlich optimiert. Die Zukunft wird aber zeigen, ob humanoide Bauroboter sich auf der Baustelle behaupten können. Es bleibt also spannend.

 

 

Zafer Bakir beschäftigt sich seit Jahren branchenübergreifend mit dem Thema Digitalisierung sowie mit den damit einhergehenden Veränderungsprozessen. Die Erarbeitung und Implementierung digitaler Strategien und Geschäftsmodelle gehören hier zu seinen Kernkompetenzen. Seit Januar 2018 verantwortet Zafer Bakir als Leiter Digitalisierung das Thema "Digital Construction" beim Schweizerischen Baumeisterverband mit der Mission, die Digitale Transformation im Bauhauptgewerbe voranzutreiben.

 

 

 

 

 

 


Quellen

  • Kamel S. Saidi, Jonathan B. O’Brien, Alan M. Lytle. (2008). Handbook of Robotics. Robotics in Construction. Springer Verlag. Berlin.
  • Dr. Mohamed Oubbati. (2007). Robotik. Skript zur Vorlesung. Universität Ulm
  • McKinsey & Company. Industrial Robotics. Insights into the Sector’s future growth dynamics. https://www.mckinsey.com/industries/advanced-electronics/our-insights/growth-dynamics-in-industrial-robotics
  • Edmundas Kazimieras Zavadskas. (2010). Automation and robotics in construction: International research and achievements in Automation in Construction.
  • Bock Thomas, Lauer Willi Viktor, Linner Thomas, Eibisch Nora. (2010). Automatisierung und ­Robotik im Bauen. Berlin: Arch-Plus.
  • Linda Onnasch, Xenia Maier, Thomas Jürgensohn.(2016). Mensch-Roboter-Interaktion - Eine Taxonomie für alle Anwendungsfälle.
  • Robot Institute of America. 1982. Robot Institute of America Worldwide Robotics Survey and Directory. Dearborn, MI: Society of Manufacturing Engineers.
  • ISO 8373:2012. (o. J.). Robots and robotic devices – vocabulary.

Autor: Zafer Bakir

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