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Bachelorarbeit: Fokusprojekt mit Studierenden der ETH / Bau eines Bauroboters

Ein Roboter für die Baustelle

Aus der Industrie sind Roboter nicht mehr wegzudenken, auf Baustellen hingegen haben sie noch nicht Einzug gehalten. Auch dort könnten Roboter künftig monotone und kräftezehrende Arbeiten übernehmen, wenn es nach den Systemtechnik-Absolventen Philipp Mangold, Sandro Rusterholz und Timon Willi geht.

In den Produktionsstrassen der Automobilindustrie finden sich heute ganze Alleen von Robotern, die den Menschen die Arbeit erleichtern. Dass ein moderner Roboter auch auf Baustellen viele Tätigkeiten anstelle von Menschen ausführen könnte, will das Fokusprojekt CHIRON der ETH Zürich zeigen. Rund ein Dutzend angehende Ingenieure haben sich darin zum Ziel gesetzt, einen möglichst autonomen Bauroboter zu entwickeln. Zum Team gehörten auch Philipp Mangold, Sandro Rusterholz und Timon Willi, die im Rahmen ihrer Projekt- und Bachelorarbeit im ZHAW-Studiengang Systemtechnik dazu beigetragen haben, den ersten Prototyp des Roboters zu realisieren. Der Roboter CHIRON verfügt über einen hydraulischen Gelenkarm, an dessen Ende unterschiedliche Werkzeuge angebracht werden können. Verankert ist er auf einer mobilen Plattform, die auf Rollen zum jeweiligen Einsatzort transportiert werden kann.

Fortsetzung der Projektarbeit

In ihrer vorangegangenen Projektarbeit hatten die Absolventen bereits den beweglichen Arm des Roboters mitentwickelt. Auf Grundlage dieses Konzepts konnten die einzelnen Komponenten und Einzelteile gefertigt werden. In ihrer Bachelorarbeit setzten die Absolventen ihr Werk in diversen Teilbereichen fort. So galt der Fokus nun dem mechanischen Zusammenbau, der elektronischen Verkabelung und der Erstellung der Software. «Es gab noch keine Plattform für den Arm. Ein Teil unserer Arbeit war deshalb auch die Konzeptionierung und der Bau einer mobilen Basis», so Sandro Rusterholz. «Ehrlich gesagt hatten wir dafür zunächst eine selbstfahrende Lösung favorisiert, aber das hätte den Rahmen gesprengt.» Denn auch die weiteren Teilprojekte verlangten den Absolventen viel ab. So galt es eine Schnittstelle für die Kommunikation der Hardware zu entwickeln und ein Werkzeugwechselsystem am Roboterarm zu implementieren.

«Ein erster Schritt in Richtung Automatisierung auf der Baustelle ist getan.»

Timon Willi

Werkzeuge sind austauschbar

Um die Kommunikation zwischen allen Hardware-Komponenten zu steuern, haben die Absolventen einen Low-Level-Controller entwickelt. «Die Schnittstelle berechnet zum Beispiel die Gelenkwinkel im Arm und ermöglicht auf diese Weise eine präzise Positionierung», sagt Philipp Mangold. «Das ist nicht ganz unwichtig, wenn der Roboter später eine Kettensäge am Arm hat.» CHIRON soll aber weit mehr als ein Sägeroboter sein. Dazu haben die Absolventen ein Werkzeugwechselsystem entwickelt, das auf bestehende Produkte angepasst werden kann. «Der Roboter kann auf diese Weise viele unterschiedliche Werkzeuge verwenden», so Timon Willi. «Mit unserem System können zudem laufend weitere Werkzeuge hinzugefügt werden. Ein erster Schritt in Richtung Automatisierung auf der Baustelle ist getan.»

Teamwork gefragt

Die Absolventen haben die Mechanik jedes Gelenks nach dem Zusammenbau separat getestet und den Roboterarm auf der neu konzipierten Basis montiert. Weiter haben sie die Kommunikation der Hardwarekomponenten geprüft, den Programmcode umgesetzt und die erstellten Softwarepakete einzeln getestet. Die Montage des Werkzeugwechselsystems ermöglichte es, die Steuerelemente zu testen und die Bewegungen mit dem Arm auszuführen. Der Roboterarm funktioniert mechanisch ordnungsgemäss. Doch bevor CHIRON auf Baustellen zum Einsatz kommen kann, werden noch weitere Entwicklungen nötig sein. Die Absolventen haben mit ihrer Bachelorarbeit einen wichtigen Beitrag geleistet und ihr Können in den Bereichen Elektronik, Mechanik und Hydraulik in verschiedenen Teilsystemen unter Beweis gestellt. Ausserdem haben die Absolventen nicht nur fachlich überzeugt, sondern auch gezeigt, dass sie fähig sind, in einem Team von Ingenieuren effizient zusammenzuarbeiten. Auch das zeichnet sie für den Einstieg ins Berufsleben aus.

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