Enabling BIM-Driven Robotic Construction Workflows with Closed-Loop Digital Twins

要約

建設支援ロボットの導入は、建設作業員の肉体的負担を大幅に軽減することができる。ビルディング・インフォメーション・モデル（BIM）の活用は、ロボットによる建設ワークフローを推進する上で、自然で有望なアプローチを提供する。しかし、設計時と施工時の部材の相違など、建設現場特有の不確実性があるため、ロボットはBIMだけに頼って現場の建設作業を計画・実行することはできない。人間の作業員は、創造性と経験によって代替案を即興で作成することに長けているため、ロボットが不確実性を克服し、建設作業を成功させるのを支援することができる。このようなシナリオでは、作業プロセスの展開に合わせてBIMを継続的に更新し、その後の建設作業や保守作業のためのas-built情報を含むようにすることが重要である。本研究では、人間とロボットの共同作業による建設ワークフローにBIMを統合する、インタラクティブなクローズドループデジタルツインフレームワークを紹介する。ロボットの機能は主にBIMによって駆動されるが、ロボットは実際の現場状況に基づいて適応的に計画を調整し、人間の同僚はプロセスを監督・監視する。必要に応じて、人間の同僚は、タスクの順序や作業空間の形状を変更したり、ロボットが遭遇した不確実性を克服できるように新しい動作計画を要求したりして、ロボットの計画に介入する。建設現場を模した研究室で、産業用ロボットアームを用いて、ブロックのピックアンドプレース作業を含む実験を行い、システムの性能を検証した。さらに、乾式壁施工のケーススタディを実施し、システムの妥当性を検証する。人間の作業員の柔軟性とBIMが提供する自律性と精度を統合することで、提案されたフレームワークは、現場建設作業のパフォーマンスにおける建設ロボットの堅牢性を向上させるという大きな期待を提供する。

要約(オリジナル)

The introduction of assistive construction robots can significantly alleviate physical demands on construction workers. Leveraging a Building Information Model (BIM) offers a natural and promising approach to driving a robotic construction workflow. However, because of uncertainties inherent in construction sites, such as discrepancies between the as-designed and as-built components, robots cannot solely rely on a BIM to plan and perform field construction work. Human workers are adept at improvising alternative plans with their creativity and experience and thus can assist robots in overcoming uncertainties and performing construction work successfully. In such scenarios, it is critical to continuously update the BIM as work processes unfold so that it includes as-built information for the ensuing construction and maintenance tasks. This research introduces an interactive closed-loop digital twin framework that integrates a BIM into human-robot collaborative construction workflows. The robot’s functions are primarily driven by the BIM, but it adaptively adjusts its plans based on actual site conditions, while the human co-worker oversees and supervises the process. When necessary, the human co-worker intervenes in the robot’s plan by changing the task sequence or workspace geometry or requesting a new motion plan to help the robot overcome the encountered uncertainties. Experiments involving block pick-and-place tasks are carried out to verify system performance using an industrial robotic arm in a research laboratory setting that mimics a construction site. In addition, a drywall installation case study is conducted to validate the system. Integrating the flexibility of human workers and the autonomy and accuracy afforded by BIMs, the proposed framework offers significant promise of increasing the robustness of construction robots in the performance of field construction work.

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arxiv.jp, DeepL