Antriebe

Ruckelfrei zur Präzision

In der neuen Version des FieldPrinters von Dusty Robotics arbeiten zwei kompakte Bewegungssteuerungen der ION/CME N-Serie von PMD, die jeweils eines der beiden Vorderräder steuern und versorgen

PMD liefert die passenden Antriebe für eine intelligente Bewegungssteuerung als Schlüsseltechnologie für Bauroboter.

Die Bauindustrie steht vor vielen Herausforderungen angesichts von Urbanisierung, Fachkräftemangel und steigenden Kosten. Hier sind vor allem automatisierte Lösungen gefragt, mit denen sich effizienter, sicherer und nachhaltiger bauen lässt. Doch zwischen digitalen Bauplänen und der tatsächlichen Umsetzung vor Ort klaffen oft erhebliche Lücken. Veraltete Informationen und Planungsfehler führen regelmäßig zu falschen Grundrissen, aufwändigen Nacharbeiten und Verzögerungen.

Das kalifornische Unternehmen Dusty Robotics hat diese Herausforderung erkannt und entwickelt robotergesteuerte Werkzeuge für Baustellen. Ihr Top-Produkt, der FieldPrinter, überträgt digitale Baupläne automatisiert auf die Baustelle. Der optimierte BIM-to-Field-Prozess sorgt dafür, dass die Planung präzise umgesetzt wird – effizient, fehlerarm und zeitsparend.

Der autonome Bauroboter von Dusty Robotics ermöglicht den Bau direkt nach digitalem Modell, wodurch Fehler und Ungenauigkeiten manueller Prozesse vermieden werden können. Für die präzise Leistung des Roboters sorgen innovative Antriebe von Performance Motion Devices, Inc. (PMD).

Der FieldPrinter-Roboter übersetzt das 3D-Modell eines Gebäudes in 2D-Zeichnungen auf dem Boden und vermeidet so fehlerhafte Layouts, Nacharbeiten und Verzögerungen in der Produktion

Herausforderung auf der Baustelle

Trotz Digitalisierung ist es im Bauwesen nach wie vor üblich, Konstruktionsdaten manuell zu übertragen. Je nach Projekt kommen dabei Totalstationen, Kreidelinien oder sogar nur Maßbänder und Kreidestifte zum Einsatz – Techniken, die sich seit Jahrhunderten kaum verändert haben. Mike Thompson, leitender Ingenieur bei Dusty Robotics, erklärt: „Wenn Informationen dabei falsch übertragen werden, kann zum Beispiel eine Wand mehrere Zentimeter versetzt stehen – mit erheblichen Folgen für das gesamte Bauvorhaben“.

Mobiles Robotersystem als Lösung

Dusty Robotics hat ein mobiles Robotersystem entwickelt, das Ungenauigkeiten verhindert und Zeit und Ressourcen spart. Die FieldPrint-Plattform des Unternehmens übersetzt das 3D-Modell eines Gebäudes in 2D-Zeichnungen auf dem Boden der Anlage – mit einer Genauigkeit von etwa 0,16 cm, erläutert Zachary Reiss-Davis, Senior Director of Marketing bei Dusty Robotics. Statt auf verschiedene Laptops, iPads oder Papierpläne zurückgreifen zu müssen, stehen alle benötigten Informationen direkt vor Ort zur Verfügung, und zwar viel schneller und viel genauer.

Präzise und sanfte Bewegung

Entscheidend für die zuverlässige Leistung eines Roboters ist dabei die möglichst reibungslose Bewegungssteuerung. „Der Roboter soll sich sanft bewegen, ohne ständig zu beschleunigen oder abzubremsen. Er soll sich kontinuierlich zwischen den verschiedenen Objekten bewegen, die gedruckt werden sollen“, sagt Ryan Dimick, Steuerungsingenieur bei Dusty Robotics. „Hier kommen die PMD-Antriebe ins Spiel, die den problemlosen Übergang zwischen Navigation und Drucken ermöglichen.“ Eingesetzt werden sie im neuen FieldPrinter 2.

Die im ersten Modell verbauten Bewegungssteuerungen erwiesen sich als nicht geeignet, Fehler zu verstehen, zu beheben oder zu umgehen. Dusty Robotics fand schließlich in den Antrieben der N-Serie von PMD eine leistungsfähige Alternative, die zahlreiche Vorteile gegenüber den bisher verwendeten Controllern bot. In der neuen Version des FieldPrinters arbeiten zwei kompakte Bewegungssteuerungen der ION/CME N-Serie, die jeweils eines der beiden Vorderräder steuern und versorgen. Zusammen mit einer Reihe von integrierten Sensoren, die präzise Positionsdaten liefern, darunter Tracker, Encoder und IMU-Gyroskope (Inertial Measurement Unit), gewährleisten die PMD-Antriebe die Positionsgenauigkeit des Roboters.

Der FieldPrinter-Roboter übersetzt das 3D-Modell eines Gebäudes in 2D-Zeichnungen auf dem Boden und vermeidet so fehlerhafte Layouts, Nacharbeiten und Verzögerungen in der Produktion.

Alles unter Kontrolle

Die N-Serie ist ein kompakter Einachs-Controller aus der ION-Drive-Familie von PMD. Sie vereint Bewegungssteuerung, Netzwerkanbindung und Leistungsverstärkung auf nur 37,6 x 37,6 x 16,8 mm – ideal zur Montage auf Leiterplatten. Der integrierte Prozessor ermöglicht es Dusty, eigenen Code direkt auf dem Gerät auszuführen: „Ein Hauptgrund, warum wir uns für PMD entschieden haben, war die volle Kontrolle“, erklärt Dimick, „und wir konnten unsere Parameter exakt vorgeben und hatten jederzeit Einblick in das Innenleben der Steuerung.“

Mit der ProMotion-Software von PMD lassen sich etwa individuelle Timing-Einstellungen und Regelkreisparameter definieren. „Wir arbeiten im Millisekundenbereich. Für präzise Steuerung und schnelle Rückmeldung ist das entscheidend – und vor PMD war das so nicht machbar“, ergänzt Dimick. PMD profitiert wiederum von der Zusammenarbeit: „Der Austausch mit den Experten von Dusty Robotics eröffnet Einblicke in zukunftsweisende Lösungen mithilfe der ION/CME-Serie – eine wertvolle Lernerfahrung in der mobilen Robotik, die sich auch in anderen Branchen nutzen lässt,“ erläutert Tom Keller, Anwendungsingenieur bei PMD.

Tote Winkel überwinden

Um trotz unvermeidbarer Hindernisse effizient arbeiten zu können, ist präzise Kommunikation zwischen Roboter und Umgebung entscheidend. Ein zentrales Element ist dabei ein Lasertracker, der dem Roboter seine Position meldet. Gerät der Roboter in einen toten Winkel, verlässt er sich auf die Encoder und weitere Sensoren, um bis zu 15 Sekunden genau weiterzuarbeiten. Verlässt er den toten Winkel, stimmt er seine Position erneut mit dem Tracker ab.

Die Steuerung erfolgt mit Submillisekunden-Präzision – ein entscheidender Faktor für gleichmäßige Bewegungen und verlässliches Drucken auch ohne Tracker-Sicht. Laut Dimick zählt diese Fähigkeit zu den größten Fortschritten der neuen Robotergeneration – insbesondere dank der PMD-Antriebe und besseren Datenauswertung.

Sichere Navigation in anspruchsvoller Umgebung
Hindernisse, Bodenöffnungen und ungeschützte Kanten – eine Baustelle birgt einige Gefahren. Um solchen Gefahren auszuweichen, nutzt Dusty das interne Bremssystem von PMD. An allen vier Ecken des Roboters sind Abgrundsensoren angebracht, die Vorsprünge erkennen. In diesem Fall bremst der Roboter automatisch und steuert weg. Ein Teil von Dustys eigener Software dient als Überwachungseinheit und sorgt dafür, dass die Motoren sofort abgeschaltet werden, sobald die Kommunikation zum Roboter unterbrochen wird.

Wie der Firmenname andeutet, sind die Dusty-Roboter ideal für staubige, raue Umgebungen, ob für heiße 43 °C oder eisige -29 °C. „Unsere Kunden erwarten, dass wir auch bei extremen Bedingungen und schlechter Internetverbindung zuverlässig arbeiten“, sagt Marketingleiter Reiss-Davis. Das setze man auch bei den Technologiepartnern voraus. Im Gegensatz zu vielen Mitbewerbern schützt die N-Serie ihre Komponenten standardmäßig mit einem geschlossenen Gehäuse vor Umwelteinflüssen.

Die ION/CME N-Serie-Antriebe von PMD sind kompakte, auf Leiterplatten montierbare Module, die eine leistungsstarke Bewegungssteuerung, Netzwerkkonnektivität und Leistungsverstärkung bieten.

Flexibilität in der Kommunikation

Während der gesamten Entwicklungsphase arbeitete Dusty Robotics eng mit PMD zusammen. PMD war jederzeit zu erreichen, um Fragen zu beantworten und stellte sogar kurzfristig eine spezielle Debug-Version bereit, damit Dusty ein Problem diagnostizieren konnte: „Bei der vollständigen Integration in unseren Prozess waren sie uns während des gesamten Prozesses eine große Hilfe,“ resümiert Steuerungsingenieur Dimick.

Auch das Warten auf die Entwicklung eines Controllers mit den passenden Kommunikationsoptionen, darunter Ethernet, CAN, RS-232, RS-485 und SPI (Serial Peripheral Interface), lohnte sich für Dusty. Die Firma gehörte zu den ersten, die diesen Controller einsetzten, halfen bei der Fehlerbehebung in der Firmware und erhielten auch schnell neue Versionen zur unmittelbaren Verwendung.

Noch besser werden

Dusty Robotics stellt eine wichtige Brücke zwischen dem Entwurf eines Gebäudes und seiner Konstruktion dar. Im autonomen mobilen Roboter FieldPrinter sorgen Bewegungssteuerungsantriebe der ION/CME N-Serie von PMD für die hohe Positionsgenauigkeit des Roboters. Dank des kompakten Einachs-Controllers erhalten die Robotik-Ingenieure von Dusty wichtige Einblicke und Zugriff auf interne Steuerungsparameter zur Anpassung und Fehlerbehebung.

„PMD liefert nicht nur die Controller selbst, sondern gewährt uns Zugriff auf die einzelnen Teile, sodass wir eine hochintegrierte Lösung entwickeln können“, so der leitende Ingenieur Thompson abschließend, „und basierend auf unserer bisherigen Entwicklung können wir so noch andere technische Ziele rund um die Integration erreichen, um das System schneller, leichter und noch besser zu machen.“

Autor: Carlos Bielicki, VP of Sales & Marketing, Performance Motion Devices, Inc.

Bilder: Dusty Robotics, Performance Motion Devices, Inc.