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

要約

ロボットは、建設プロジェクトの生産性と安全性の両方を向上させながら、建設作業員の身体的負担を大幅に軽減します。
ビルディング インフォメーション モデル (BIM) を活用すると、ロボット建設ワークフローを推進するための自然で有望なアプローチが得られます。
しかし、設計されたワークピースと完成したワークピース間の不一致など、建設現場に固有の不確実性のため、ロボットは現場の建設作業をガイドするために BIM だけに依存することはできません。
人間の作業員は、創造性と経験を活かして代替案を即興で作成することに熟達しているため、ロボットが不確実性を克服して建設作業を成功させるのを支援することができます。
この研究では、人間とロボットの共同建設ワークフローに BIM を統合する、インタラクティブな閉ループ デジタル ツイン システムを導入します。
ロボットは主に BIM によって駆動されますが、人間の同僚がプロセスを監督しながら、実際の現場の状況に基づいて計画を適応的に調整します。
必要に応じて、人間の同僚は、タスクの順序や目標位置を変更したり、新しい動作計画を要求したり、構築コンポーネントや材料を変更したりしてロボットの計画に介入し、ロボットが不確実性を乗り越えられるようにします。
システムの物理的な展開を調査するために、実験室で産業用ロボット アームを使用して乾式壁の設置ケース スタディが実施されます。
さらに、システムのパフォーマンスを評価するために、ブロックのピック アンド プレース実験が実行されます。
人間の作業者の柔軟性と、BIM によってもたらされる自律性と正確性を統合するこのシステムは、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大幅に向上させます。

要約(オリジナル)

Robots can greatly alleviate physical demands on construction workers while enhancing both the productivity and safety of construction projects. Leveraging a Building Information Model (BIM) offers a natural and promising approach to drive a robotic construction workflow. However, because of uncertainties inherent on construction sites, such as discrepancies between the designed and as-built workpieces, robots cannot solely rely on the BIM to guide 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. This research introduces an interactive closed-loop digital twin system that integrates a BIM into human-robot collaborative construction workflows. The robot is primarily driven by the BIM, but it adaptively adjusts its plan based on actual site conditions while the human co-worker supervises the process. If necessary, the human co-worker intervenes in the robot’s plan by changing the task sequence or target position, requesting a new motion plan, or modifying the construction component(s)/material(s) to help the robot navigate uncertainties. To investigate the physical deployment of the system, a drywall installation case study is conducted with an industrial robotic arm in a laboratory. In addition, a block pick-and-place experiment is carried out to evaluate system performance. Integrating the flexibility of human workers and the autonomy and accuracy afforded by the BIM, the system significantly increases the robustness of construction robots in the performance of field construction work.

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