3D Shape Determination and Geometric Assessment During Digital Fabrication

Abstract

The construction industry is undergoing a technological revolution with the goal to increase productivity, efficiency, and functionality. The drivers for the necessary changes are associated with the ever-increasing shortage of skilled labour, growing number of construction projects, as well as the aims to reduce material waste of the construction and with it associated impact on the environment. Digital fabrication is leading the automation and digitization advancements impacting all phases of a building's lifetime, with an immediate effect on design, fabrication, assembly, and maintenance. These advancements are key enablers for the construction sector to meet rising global demand for more infrastructure and buildings, while operating in a world with ever-growing constraints on used resources. In order for digital fabrication to establish and optimize the automated processes, an improved understanding of the behaviour of the fabricated structural elements before, during, and after fabrication is needed. For this, geometrical information about the fabricated objects and their changes over time with sufficient spatio-temporal coverage, resolution, and accuracy is required. Transition from highly controlled research environments to practical applications in industry requires the core-competence of engineers to design, plan, and realize measurement systems including processing with the appropriate technical characteristics, depending on the application. Making use of the metrology tools shows potential in tackling the existing challenges, such as localization of work pieces within the robotic setup and relative to the design models, handling of unknown, partially unknown or imprecise geometries and bespoke work pieces, reaction to unforeseen errors, surface inspection, as well as the unpredictability and complexity of the used cementitious materials, among others. This thesis contributes to the advancement of automation and digitization of construction methods, specifically robotic spraying of concrete elements chosen as the application case. This is achieved by means of development of a measurement system employing state-of-the-art industrial depth cameras and a data processing scheme for 3D shape determination and assessment for digital fabrication. In particular, the main contributions presented in this thesis are: i) assessment and improvement of distance measurement accuracy for time-of-flight (ToF) camera Helios Lucid, including the development and implementation of the assessment procedure, ii) rebar detection and digital reconstruction for robotic concrete spraying, iii) geometric feedback system for robotic spraying, and iv) surface finish classification using depth camera data. The work presented in this thesis was conducted within the research consortium NCCR Digital Fabrication and as a part of the Innosuisse project of robotic concrete spraying.

Die Bauindustrie befindet sich aktuell in einer technologischen Entwicklungsphase mit dem Ziel, die Produktivität, Effizient und Funktionalität zu erhöhen. Angetrieben werden diese Entwicklungsprozesse durch den akuten Mangel an qualifizierten Arbeitskräften, der steigenden Anzahl an Bauprojekten und der Absicht, den ökologischen Fussabdruck der Bauindustrie zu senken. Digitale Fabrikation umfasst die Automatisierung und Digitalisierung des gesamten Lebenszyklusses eines Gebäudes und hat erheblichen Einfluss auf Design, Fertigung, Bau und Unterhalt. Fortschritte in diesem Bereich sind notwendig, um trotz begrenzten Ressourcen die steigende globale Nachfrage nach Infrastrukturbauten und Gebäuden zu decken. Um mit Hilfe der digitalen Fabrikation diverse Bauprozesse automatisieren zu können, ist ein vertieftes Verständnis des Verhaltens der fabrizierten Elemente vor, während und nach der Fertigung notwendig. Dafür sind geometrische Informationen der fabrizierten Objekte inklusive deren Veränderung mit einer genügend hohen raumzeitlichen Abdeckung, Auflösung und Genauigkeit erforderlich. Der Übergang von perfekt kontrollierten Laborumgebungen, zu praktischen Anwendungen in der Industrie erfordert das Entwerfen, Planen und Umsetzen von auf den Verwendungszweck zugeschnittenen Messsystemen und Auswertungsmethoden. Verfahren aus dem Bereich der Industrievermessung haben das Potential einige der Herausforderungen in der digitalen Fabrikation zu bewältigen. Dazu zählen die Lokalisierung von Arbeitsstücken innerhalb von Robotersystemen und relativ zu Entwurfsmodellen, die Handhabung von neuartigen Geometrien und massgeschneiderten Arbeitsstücken, die Reaktion auf unvorhergesehene Fehler, die Oberflächenprüfung und die Unvorhersehbarkeit und Komplexität von beispielsweise zementähnlichen Stoffen. Diese Dissertation trägt zur Weiterentwicklung der Automatisierung und Digitalisierung der Bauprozesse bei. Als Hauptanwendungsbeispiel wurde die roboterbasierte Herstellung von Betonelementen mit Hilfe von Spritzbeton untersucht. Zu diesem Zweck wurde basierend auf modernen Tiefenbildkameras ein Messystem inklusive entsprechender Auswertungsmethode entwickelt, um die 3D Form eines Arbeitsstückes während und nach der digitalen Fabrikation bestimmen und beurteilen zu können. Die Hauptbeiträge dieser Arbeit sind: i) Beurteilung und Verbesserung der Distanzmessgenauigkeit der TOF-Kamera Helios Lucid inklusive Entwicklung und Implementierung des Beurteilungsverfahren, ii) Detektion von Bewehrungseisen und digitale Rekonstruktion für Roboter basiertes Auftragen von Spritzbeton, iii) geometrisches Feedback-System für Betonspritzroboter und iv) Oberflächenklassifizierung mit Hilfe von Tiefenbildkameras. Diese Dissertation wurde im Rahmen des NFS Digitale Fabrikation des Schweizerischen Nationalfonds und als Teil des Innosuisse Projekts Betonspritzroboter durchgeführt.