CN107654077A

CN107654077A - 考虑砂浆可塑性的砌砖机器人直线墙体的砌筑算法

Info

Publication number: CN107654077A
Application number: CN201710980451.XA
Authority: CN
Inventors: 刘昌臻; 陈思鑫; 王定成
Original assignee: Huaway IoT Technology Co Ltd
Current assignee: Huaway IoT Technology Co Ltd
Priority date: 2017-10-19
Filing date: 2017-10-19
Publication date: 2018-02-02
Anticipated expiration: 2037-10-19
Also published as: CN107654077B

Abstract

本发明公开了考虑砂浆可塑性的砌砖机器人直线墙体的砌筑算法，包括以下步骤：a.确定基准坐标系；b.计算砖的皮数，每块砖的排列方式；c.计算每块砖的坐标位置；d. 直线轨道与墙中心线的距离J；e. 砂浆可塑时间计算所需砌砖机器人的台数N_机，计算每台机器人每个站姿的砌砖数量为N_S，相邻站姿的距离S_距；f. 根据砂浆可塑时间计算所需砌砖机器人的台数N_机；g. 设定各台机器人砌砖顺序，将动作指令发送到编程控制系统上，使其执行对应的动作进行直线墙体的砌筑。本发明通过考虑砂浆可塑性状况，使用多台机器人进行砌筑，确定每台机器人的砌砖数量，使得夹砖、砌砖的过程均在砂浆可塑性时间内完成，实用性强，提高了整体的砌筑效率。

Description

考虑砂浆可塑性的砌砖机器人直线墙体的砌筑算法

技术领域

本发明涉及建筑自动化技术领域，具体涉及一种砌砖机器人直线墙体的砌筑算法。

背景技术

传统的人工砌筑建造楼房施工进度慢，劳动强度大，且人工成本越来越高，随着经济的快速增长和城市化，越来越多的砌砖机器人被研发出来，用以替代人工砌墙，实现人工智能化。

申请号为2016110695716的发明专利公开了一种轻型、可移动的砌砖机器人，如图1所示，包括依次相连接的旋转式移动底盘1、升降模块2、砌砖模块3和编程控制系统，砌砖模块3包括机械臂4和砌砖夹具5，砌砖夹具5在机械臂4的行程范围内移动；砌砖模块3通过一丝杆实现在升降模块2上的上下移动，砌砖模块3以升降模块2为轴通过旋转式移动底盘1实现圆周运动。该砌砖机器人结构简单，但是如何通过编程算法控制其分布砌砖，实现智能化砌砖至关重要，因此有必要对其砌筑过程的算法控制进行进一步研究。

砂浆的可塑性是指在外力作用下材料发生变形，并能塑成任何形状的性能。砂浆是由水泥、复合缓凝剂、砂和水按一定的比例掺配形成的，一般在一定的时间内具有良好的好塑性。可塑性能反映了砂浆中水泥的水化程度，水泥水化程度的大小直接影响砂浆硬化后的强度。砌砖机器人在砌筑墙体的时候，需要考虑砂浆的可塑性，在砂浆可塑性时间内完成上层砖体的粘结操作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种考虑砂浆可塑性的砌砖机器人直线墙体的砌筑算法，根据砂浆可塑时间计算所需的砌砖机器人的台数，以实现直线墙体的智能化砌筑。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

考虑砂浆可塑性的砌砖机器人直线墙体的砌筑算法，包括以下步骤：

a.确定基准坐标系，设置待砌墙的中心线为X轴，垂直于墙中心线为Y轴，墙的高度方向为Z轴，墙一侧底端部X、Y、Z交叉点为原点；

b.计算砖的皮数，计算每皮砖的排列方式；

c.计算每块砖的坐标位置；

d.砌砖机器人沿一平行于墙中心线的直线轨道行走，取砖位设置在砌砖机器人后侧，计算直线轨道与墙中心线的距离J；

e.确定砌砖机器人从左往右第一个站姿的坐标位置，计算每台机器人每个站姿的砌砖数量为N_S，相邻站姿的距离S_距；

f.根据砂浆可塑时间计算所需砌砖机器人的台数N_机，各台机器人的工作面划分；

g.设定各台机器人砌砖顺序，各机器人由左往右完成工作面范围内同皮砖砌筑，然后从右往左完成工作面范围同皮砖砌筑，计算砌砖机器人在每个站姿从取砖位夹砖，逐块逐层砖块砌筑的动作指令；将动作指令发送到编程控制系统上，使其执行对应的动作进行直线墙体的砌筑。

其中，步骤b中砖的总皮数P_总，在第P皮上砖的数量为M＇，按以下公式计算，

H为直线墙体的总高度，h为砖块的高度，r为灰缝的厚度；M＝L/(F+r)，M取整数，小数点后的值为△，L为直线墙体的总长度，F为整块砖块的长度，F_n为第n块砖块的长度；

△＝0时，P为奇数时，M＇＝M+1

；

△＝0时，P为偶数时，M＇＝M

F_n＝F n＝1,2,……M；

当时，P为奇数时，M＇＝M+1，F_n按以下公式计算：

；

当时，P为偶数时，M＇＝M+1，F_n按以下公式计算：

；

当时，P为奇数时，M＇＝M+1，F_n按以下公式计算：

；

当时，P为偶数时，M＇＝M+1，F_n按以下公式计算：

；

当时，P为奇数时，M＇＝M+1，F_n按以下公式计算：

；

当时，P为偶数时，M＇＝M+2，F_n按以下公式计算：

。

其中，步骤c中，在第P皮墙体上第n块砖的中心点的坐标(x_n砖，0，z_n砖)，z_n砖＝Ph-0.5h+(P-1)r，

当△＝0时，P为奇数时，x_n砖按以下公式计算：

；

当△＝0时，P为偶数时，x_n砖按以下公式计算：

；

当P为奇数时,x_n砖按以下公式计算：

；

当P为偶数时,x_n砖按以下公式计算：

；

当P为奇数时,x_n砖按以下公式计算：

；

当P为偶数时,x_n砖按以下公式计算：

；

当P为奇数时,x_n砖按以下公式计算：

；

当P为偶数时,x_n砖按以下公式计算：

。

其中，步骤d中砌砖机器人的直线轨道距离墙体中心线的距离J按以下公式计算：

其中XC为砌砖夹具在机械臂上的水平行程，A为安全距离，R为旋转式移动底盘直径，B为砖块的厚度，α为机械臂与X轴的夹角。

其中，步骤e中，第一个站姿的坐标位置为(x₁，J)，其中x₁按以下公式计算：

其中F为砖块的长度；

其中，步骤e中，每台机器人每个站姿的砌砖数量为相邻站姿的距离为

其中，步骤f中，砌砖机器人的台数N_机通过以下步骤确定，

(1)计算砂浆可塑时间内的砌筑长度L_塑，

其中，t_塑为砂浆可塑时间，t_砌为砌砖机器人砌筑一块砖所需时间，F为整块砖块的长度；

(2)计算每台机器人的站姿个数S，

其中N_S为每台机器人每个站姿的砌砖数量；

(3)计算机器人的台数N_机，

其中，x₁为第一个站姿的横坐标。

进一步地，在每一个站姿位置构建以下动作指令，(1)砌砖机器人回归初始位置；(2)夹砖，旋转式移动底盘旋转至取砖位，砌砖夹具在相应的取砖位夹砖；(3)砌砖，砌砖夹具夹取砖块后旋转至砖块坐标点位置放置。

由于采用了上述结构，本发明具有如下有益效果：本发明构建统一的坐标系，通过计算砌砖机器人的行走路径，明确了取砖位与砌砖机器人同步移动，通过考虑砂浆可塑性状况，使用多台机器人进行砌筑，确定每台机器人的砌砖数量，使得夹砖、砌砖的过程均在砂浆可塑性时间内完成，实用性强，提高了整体的砌筑效率。

附图说明

图1是背景技术中砌砖机器人的结构示意图。

图2是本发明的示意图。

图3是△＝0时直线墙体每皮砖的排列示意图。

图4是时直线墙体每皮砖的排列示意图。

图5是时直线墙体每皮砖的排列示意图。

图6是时直线墙体每皮砖的排列示意图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述。

本发明公开了一种砌砖机器人的直线墙体的砌筑算法，如图1所示，砌砖机器人的结构为背景技术中的结构，即包括依次相连接的旋转式移动底盘1、升降模块2、砌砖模块3和编程控制系统，砌砖模块3包括机械臂4和砌砖夹具5，砌砖夹具5在机械臂4的行程范围内移动；砌砖模块3通过一丝杆实现在升降模块2上的上下移动，旋转式移动底盘1可在地面移动和圆周式旋转。

结合图2所示，该砌砖机器人的砌筑算法包括以下步骤：

a.确定基准坐标系，设置待砌墙的中心线为X轴，垂直于墙中心线为Y轴，墙的高度方向为Z轴，墙一侧底端部X、Y、Z交叉点为原点。如图2所示，墙的中心线位于墙体厚度方向的中心，平行于地面方向。如图3，Z轴方向为墙的高度方向。

b.计算砖的皮数，计算每皮砖的排列方式。

c.计算每块砖的坐标位置。

步骤b,c的计算过程详述如下：设砖的总皮数P_总，在第P皮上砖的数量为M＇，按以下公式计算P_总，

即P_总取比小的最大整数，H为直线墙体的总高度，h为砖块的高度，r为灰缝的厚度。

设M为砖的预测数量，M＝L/(F+r)，L为直线墙体的总长度，F为整块砖块的长度，F_n为第n块砖块的长度，在第P皮墙体上第n块砖的中心点的坐标(x_n砖，0，z_n砖)，z_n砖＝Ph-0.5h+(P-1)r。

按下表计算砖的数量M＇，第n块砖块的长度F_n，及第n块砖的中心点的坐标x_n砖。

△＝0时，如图3所示砌筑墙体，P为奇数时，即奇数层上的计算公式如下。公式2、4的含义为：奇数层上的砖块按照首尾半砖来排布，中间为整砖。而偶数层上的砖块依照整砖来排列砌筑。从而使得相邻皮的砖块呈搭接工字缝排列，符合墙体的砌筑要求。

P为偶数，即偶数层上的计算公式如下。

F_n＝F n＝1,2,……M(公式4)

如图4所示砌筑墙体，P为奇数时，即奇数层上的计算公式如下。

P为偶数，即偶数层上的计算公式如下。

当如图5所示砌筑墙体，P为奇数时，即奇数层上的计算公式如下。

P为偶数时，即偶数层上的计算公式如下。

当如图6所示砌筑墙体，P为奇数时，即奇数层上的计算公式如下。

P为偶数时，即偶数层上的计算公式如下。

d.砌砖机器人沿一平行于墙中心线的直线轨道行走，取砖位设置在砌砖机器人后侧，计算直线轨道与墙中心线的距离J；J按公式18计算。

其中XC为砌砖夹具在机械臂上的水平行程，A为安全距离，R为旋转式移动底盘直径，B为砖块的厚度，α为机械臂与X轴的夹角。安全距离根据机器人的构造选取，设置安全距离以干涉墙体为准，一般取A＝0.5m。

e.确定砌砖机器人从左往右第一个站姿的坐标位置，计算每台机器人每个站姿的砌砖数量为N_S(公式19)，相邻站姿的距离S_距(公式20)；第一个站姿的坐标位置为(x₁，J)，，x₁按以下公式21计算：

其中XC为砌砖夹具在机械臂上的水平行程，A为安全距离，J为直线轨道与墙中心线的距离，F为砖块的长度。

f.根据砂浆可塑时间计算所需砌砖机器人的台数N_机，各台机器人的工作面划分。

通过以下步骤确定，

(1)计算砂浆可塑时间内的砌筑长度L_塑。

其中，t_塑为砂浆可塑时间，t_砌为砌砖机器人砌筑一块砖所需时间，F为整块砖块的长度。

(2)计算每台机器人的站姿个数S，

即S取小于的最大整数。

(3)计算机器人的台数N_机，

即N_机取大于的最小整数。

按照每个站姿的距离S_距及每台机器人的站姿个数，布设机器人即可。

g.设定各台机器人砌砖顺序，各机器人由左往右完成工作面范围内同皮砖砌筑，然后从右往左完成工作面范围同皮砖砌筑，计算砌砖机器人在每个站姿从取砖位夹砖，逐块逐层砖块砌筑的动作指令；将动作指令发送到编程控制系统上，使其执行对应的动作进行直线墙体的砌筑。在每一个站姿位置构建以下动作指令，

(1)砌砖机器人回归初始位置。

(2)夹砖，旋转式移动底盘旋转至取砖位，砌砖夹具在相应的取砖位夹砖。夹砖包括以下顺序指令：机械臂提升、机械臂旋转、横械臂下降、砌砖夹具在机械臂上移动、砌砖夹具旋转对位、机械臂下降就位、砌砖夹具夹砖；

(3)砌砖，砌砖夹具夹取砖块后旋转至砖块坐标点位置放置。砌砖包括以下顺序指令：机械臂提升、旋转式移动底盘旋转、砌砖夹具在机械臂上移动、砌砖夹具旋转对位、机械臂下降就位，砌砖夹具松开。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.考虑砂浆可塑性的砌砖机器人直线墙体的砌筑算法，所述的砌砖机器人包括依次相连接的旋转式移动底盘、升降模块、砌砖模块和编程控制系统，所述的砌砖模块包括机械臂和砌砖夹具，所述的砌砖夹具在机械臂行程范围内移动和旋转；所述砌砖模块通过一丝杆实现在升降模块上的上下移动，所述的旋转式移动底盘可在地面移动和圆周式旋转，其特征在于，包括以下步骤：

b.计算砖的皮数，计算每皮砖的排列方式；

c.计算每块砖的坐标位置；

2.如权利要求1所述的考虑砂浆可塑性的砌砖机器人直线墙体的砌筑算法，其特征在于：步骤b中砖的总皮数P_总，在第P皮上砖的数量为M＇，按以下公式计算，

△＝0时，P为奇数时，M＇＝M+1

；

△＝0时，P为偶数时，M＇＝M

F_n＝F n＝1,2,……M；

当时，P为奇数时，M＇＝M+1，F_n按以下公式计算：

；

当时，P为偶数时，M＇＝M+1，F_n按以下公式计算：

；

当时，P为奇数时，M＇＝M+1，F_n按以下公式计算：

当时，P为偶数时，M＇＝M+1，F_n按以下公式计算：

当时，P为奇数时，M＇＝M+1，F_n按以下公式计算：

当时，P为偶数时，M＇＝M+2，F_n按以下公式计算：

3.如权利要求2所述的考虑砂浆可塑性的砌砖机器人直线墙体的砌筑算法，其特征在于：步骤c中，在第P皮墙体上第n块砖的中心点的坐标(x_n砖，0，z_n砖)，z_n砖＝Ph-0.5h+(P-1)r，

当△＝0时，P为奇数时，x_n砖按以下公式计算：

；

当△＝0时，P为偶数时，x_n砖按以下公式计算：

当P为奇数时,x_n砖按以下公式计算：

；

当P为偶数时,x_n砖按以下公式计算：

；

当P为奇数时,x_n砖按以下公式计算：

；

当P为偶数时,x_n砖按以下公式计算：

；

当P为奇数时,x_n砖按以下公式计算：

；

当P为偶数时,x_n砖按以下公式计算：

。

4.如权利要求1或2或3所述的考虑砂浆可塑性的砌砖机器人直线墙体的砌筑算法，其特征在于：步骤d中砌砖机器人的直线轨道距离墙体中心线的距离J按以下公式计算：

5.如权利要求4所述的考虑砂浆可塑性的砌砖机器人直线墙体的砌筑算法，其特征在于：步骤e中，第一个站姿的坐标位置为(x₁，J)，其中x₁按以下公式计算：

其中F为砖块的长度。

6.如权利要求5所述的考虑砂浆可塑性的砌砖机器人直线墙体的砌筑算法，其特征在于：步骤e中，每台机器人每个站姿的砌砖数量为相邻站姿的距离为

7.如权利要求1或6所述的考虑砂浆可塑性的砌砖机器人直线墙体的砌筑算法，其特征在于：步骤f中，砌砖机器人的台数N_机通过以下步骤确定，

(1)计算砂浆可塑时间内的砌筑长度L_塑，

(2)计算每台机器人的站姿个数S，

其中N_S为每台机器人每个站姿的砌砖数量；

(3)计算机器人的台数N_机，

其中，x₁为第一个站姿的横坐标。

8.如权利要求7所述的考虑砂浆可塑性的砌砖机器人直线墙体的砌筑算法，其特征在于：在每一个站姿位置构建以下动作指令，

(1).砌砖机器人回归初始位置；

(2)夹砖，旋转式移动底盘及砌砖夹具运行至取砖位，砌砖夹具夹砖；

(3)砌砖，砌砖夹具夹取砖块后运行至砖块坐标点位置放置。

9.如权利要求8所述的考虑砂浆可塑性的砌砖机器人直线墙体的砌筑算法，其特征在于：动作指令(2)夹砖包括以下顺序指令：机械臂提升、机械臂旋转、横械臂下降、砌砖夹具在机械臂上移动、砌砖夹具旋转对位、机械臂下降就位、砌砖夹具夹砖；

动作指令(3)砌砖包括以下顺序指令：机械臂提升、旋转式移动底盘旋转、砌砖夹具在机械臂上移动、砌砖夹具旋转对位、机械臂下降就位，砌砖夹具松开。