Robotic Assembly of Concrete Ring Segments in Tunnel Construction

Abstract

Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersIm modernen Tunnelbau erfolgt die Errichtung eines unterirdischen Hohlraums überwiegend maschinell unter Verwendung von Tunnelbohrmaschinen. Neben dem Ausbruch des Gebirges dient die Tunnelbohrmaschine dazu, den entstandene Hohlraum solange zu stützen, bis die endgültige Tunnelsicherung eingebaut ist. Während des sog. Ringbaus wird die Tunnelsicherung aus ringförmig angeordneten Stahlbetonsegmenten errichtet. Die Steuerung des Segmentmanipulators (Erektor) während des Ringbaus erfolgt noch weitgehend manuell. In dieser Arbeit wird daher ein System zur robotischen Assemblierung von Betonringsegmenten im Tunnelbau vorgestellt. Das beschriebene System umfasst den Leichtbauindustrieroboter KUKA LBR iiwa 14 R820 für die Manipulation der Ringsegmente und Kameras für die markerbasierte Posenerfassung der Segmente. Zunächst werden die mathematischen Grundlagen des Roboters und der visuellen Posenschätzung hergeleitet. Danach werden die Trajektorienplanung und die Trajektorieninterpolation basierend auf Spline-Kurven im Konfigurationsraum und im Arbeitsraum detailliert eingeführt. Das Regelgesetz im Konfigurationsraum und die Impedanzregelung im Arbeitsraum für Kontaktaufgaben werden ebenfalls diskutiert. Auf Basis dieser Grundlagen wird der Versuchsaufbau detailliert beschrieben. Für die visuelle Posenschätzung der Segmente werden die kinematischen Beziehungen bei der Segmentaufnahme und Segmentplatzierung hergeleitet und die Filterung der Posensignale behandelt. Anschließend wird der Assembliervorgang in Grob- und Feinpositionierung aufgeteilt und im Detail diskutiert. Im Fall der Feinpositionierung wird ein Verfahren zur iterativen Trajektorienplanung vorgestellt, das bei Annäherung an die Segmentaufnahme bzw. Segmenteinbauposition das verbesserte Posenfeedback der visuellen Posenschätzung berücksichtigt. Die Systemkomponenten und der Assembliervorgang werden zunächst in Simulation auf Funktionsfähigkeit geprüft und abschließend im experimentellen Versuch erfolgreich validiert. Der experimentelle Versuchsaufbau basiert auf einer Nachbildung einer realen Tunnelauskleidung im Maßstab 1 to 5. Die Segmente der Tunnelauskleidung sind im 3D-Druckverfahren nachgebildet. Die untere Grenze der Auflösung der Segmentposenschätzung liegt für Positionssignale im Bereich von zehn Mikrometern und für Orientierungssignale im Bereich von einem Milliradiant. Die vorgestellten Lösungen in dieser Arbeit können auch in einem allgemeineren Kontext eingesetzt werden, z. B. für die Assemblierung von Betonelementen im Hochbau oder bei der Errichtung von Bahngleisen im schotterlosen Oberbau.In modern tunnel construction, the creation of an underground cavity is mainly accomplished mechanically using tunnel boring machines. In addition to the rock cutting, the tunnel boring machine serves to support the underground cavity until the final support measures have been installed. During the so-called ring erection, the tunnel lining is built from reinforced concrete segments assembled as a ring. The segment manipulator (erector) is still widely controlled manually during ring erection.In this thesis, a system for the robotic assembly of concrete ring segments in tunnel construction is presented. The system includes the lightweight industrial robot KUKA LBR iiwa 14 R820 for manipulating the ring segments and cameras for the marker-based pose detection of the segments.First, the mathematical model of the robot and the visual pose estimation are derived. Successively the trajectory planning and the trajectory interpolation based on spline curves are introduced in detail. The control law in the joint space and the impedance control in the task space for contact tasks are described.The experimental setup is described based on the introduced foundations. For the visual pose estimation of the segments, the kinematic relationships for segment pickup and segment placement are derived. Additionally, the filtering of the pose signals is described. The assembly process is divided into rough and fine positioning. In the case of fine positioning, a method for iterative trajectory planning is presented, which takes into account the improved pose feedback from the visual pose estimation when approaching the segment pickup or placement position.The system components and the assembly process are first tested for functionality in simulation and are then successfully validated in an experimental setup. The experimental setup is based on a replica of a real tunnel lining on a scale of 1 to 5. The segments of the tunnel lining are recreated using the 3D printing process. The lower limit of the resolution of the segment pose estimation is in the range of ten micrometers for position signals and for orientation signals in the range of one milliradian.The solutions presented in this thesis can also be used in a more general context, e.g. for the assembly of concrete elements in building construction or for the construction of ballastless railroad tracks.9