CN109702757B - 一种增材减材建造机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增材减材建造机器人，包括底盘、转动平台、第一转动臂、第二转动臂、第三转动臂和增减材复合盘；底盘可移动或固定；底盘、转动平台、第一转动臂、第二转动臂和第三转动臂依次相连；增减材复合盘通过中心的转动轴与第三转动臂连接；增减材复合盘包括盘体、外减材头、内减材头、定位开关和增材头；盘体通过中心的转动轴与第三转动臂连接；盘体上安装有外减材头、内减材头和增材头；定位开关的壳体固定于第三转动臂的末端，壳体内部为可伸缩的杆件，伸出时杆件端部与盘体固定连接，回缩时杆件卡装于壳体内部，盘体能够旋转。内减材头实现实体内部一定深度的减材，外减材头实现实体表面突出部分的减材，提高了减材的效率。

Description

一种增材减材建造机器人

技术领域

本发明涉及3D打印领域，具体是一种增材减材建造机器人。

背景技术

3D打印技术是以数学模型作为基础，运用可粘合材料通过逐层打印的方式构造物体的技术，是一种快速成型技术。近年来，3D打印技术已经在珠宝、鞋类、工业设计、建筑和工程施工等领域得到了广泛应用，其中在建筑行业的应用处于起步阶段。一般3D打印建筑物或构筑物的建造过程都有减材需要，例如对表面突出部分的减材或局部挖孔，这就要求3D打印机器人在进行增材建造的同时还要具备优越的减材功能。

目前一些增材减材复合装置的减材方式较简单，如申请号201721238080.X的文献公开了一种3D打印和铣削的增减材复合加工装置，当需要对实体外表面的突出部分进行减材时通过刀具、砂轮减材，由于刀具、砂轮等是刚性的，上述减材方式会对实体周围部分造成损伤。同时，当需要在实体表面进行挖孔挖槽工作时，由于切削工具是刚性的，上述减材方式仅可以在很浅的位置实现此工作，当工作深度增加时减材工作无法进行。再者，增材减材机构更换困难，当机械故障时会严重影响工作进度。建造过程中对时间有严格要求，故障时如果不能及时更换，会使正在建造的实体作废，大大提高建造过程的成本。

由此可见，目前对实体表面突出部分进行减材的方法较少，即外减材的手段有限，同时内减材的方法贫乏。因此需要一种外减材时不损伤建筑实体且能在实体内部一定深度进行减材工作、方便更换故障装置的增材减材建造机器人。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种增材减材建造机器人。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种增材减材建造机器人，其特征在于该机器人包括底盘、转动平台、第一转动臂、第二转动臂、第三转动臂和增减材复合盘；底盘可移动或固定；所述转动平台与底盘通过垂直轴连接，实现转动平台绕垂直轴旋转；所述第一转动臂与转动平台通过转动副连接；第二转动臂与第一转动臂通过转动副连接；第三转动臂的一端与第二转动臂通过转动副连接；增减材复合盘通过中心的转动轴与第三转动臂的另一端连接，增减材复合盘能够绕其中心的转动轴转动；

所述增减材复合盘包括盘体、外减材头、内减材头、定位开关和增材头；所述盘体通过中心的转动轴与第三转动臂的另一端连接；盘体上安装有外减材头、内减材头和增材头；所述定位开关的壳体固定于第三转动臂的末端，壳体内部为可伸缩的杆件，伸出时杆件端部与盘体固定连接，用于将外减材头、内减材头或增材头定位于工作位置，回缩时杆件卡装于壳体内部，盘体能够旋转；外减材头用于对实体表面突出部分进行减材，内减材头用于深入实体局部进行减材，增材头用于水泥基材料的挤出式打印。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

1、采用内减材和外减材结合的方式实现减材功能。内减材头实现实体内部一定深度的减材，外减材头实现实体表面突出部分的减材，替换掉刀具等传统减材装置，对外部突出部分进行减材时不损伤建筑实体，提高了实体内部的减材工作的工作深度，提高了减材的效率。

2、外减材头、内减材头和增材头均可快速更换且拆装简易，提高了建造过程的稳健性，降低了因时间延误带来的工程成本。

3、增材头和减材头集成在一个增减材复合盘上，机构简单，增减材切换方便，提高了工作效率。

4、通过更换具有不同长度的内减材固定杆的内减材头，满足挖孔挖槽所需深度的要求。

5、通过转动平台和三个转动臂的配合，实现了增减材复合盘向指定空间位置的精确移动。

附图说明

图1为本发明一种实施例的整体结构示意图；

图2为本发明一种实施例的增减材复合盘示意图；

图3为本发明一种实施例的外减材头示意图；

图4为本发明一种实施例的内减材头示意图；

图中：1、底盘；2、第一转动臂；3、第二转动臂；4、第三转动臂；5、增减材复合盘；6、盘体；7、外减材头；8、内减材头；9、定位开关；10、增材头；11、外减材内嵌转动盘；12、外减材固定杆；13、单根减材线；14、外减材连杆；15、内减材内嵌转动盘；16、内减材固定杆；17、网状减材线；18、永久磁铁连杆；19、转动平台；20、内减材连杆；21、外减材头端；22、内减材头端。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种增材减材建造机器人(简称机器人，参见图1-4)，其特征在于该机器人包括底盘1、转动平台19、第一转动臂2、第二转动臂3、第三转动臂4和增减材复合盘5；底盘1可移动或固定；所述转动平台19与底盘1通过垂直轴连接，实现转动平台19绕垂直轴旋转；所述第一转动臂2与转动平台19通过转动副连接，只做相对转动平台19的转动；第二转动臂3与第一转动臂2通过转动副连接，只做相对第一转动臂2的转动；第三转动臂4的一端与第二转动臂3通过转动副连接，只做相对第二转动臂3的转动；三个转动臂在同一个垂直于地面的平面内运动；增减材复合盘5通过中心的转动轴与第三转动臂4的另一端连接，增减材复合盘5能够绕其中心的转动轴转动；

所述增减材复合盘5包括盘体6、外减材头7、内减材头8、定位开关9和增材头10；所述盘体6通过中心的转动轴与第三转动臂4的另一端连接，转动轴可采用电机的输出轴，通过平键将电机的输出端与盘体6固定，电机的输出轴通过滚动轴承与第三转动臂4的另一端连接；盘体6上均匀安装有外减材头7、内减材头8和增材头10，相互之间夹角为120°；所述定位开关9的壳体固定于第三转动臂4的末端，壳体内部为可伸缩的杆件，杆件的末端与弹簧的一端连接，弹簧的另一端与壳体连接，伸出时杆件端部与盘体6固定连接，用于将外减材头7、内减材头8或增材头10定位于工作位置，壳体上具有通孔且杆件上具有与通孔对应位置的凹槽，回缩时将卡件伸入通孔和凹槽中，将杆件卡装于壳体内部，盘体6能够旋转；外减材头7用于对实体表面突出部分进行减材，内减材头8用于深入实体局部进行减材，增材头10用于水泥基材料的挤出式打印；

所述外减材头7包括外减材内嵌转动盘11、外减材固定杆12、单根减材线13、外减材连杆14和外减材头端21；所述外减材连杆14固定于盘体6内部，端部固定安装有外减材头端21；所述外减材头端21底面的中心位置开有通孔，通孔内开有环形凹槽，凹槽内放置有外减材内嵌转动盘11；外减材内嵌转动盘11内表面的中心位置与电机的输出端固定连接，电机固定于外减材头端21内部；单根减材线13的两端通过外减材固定杆12固定于外减材内嵌转动盘11外表面；单根减材线13由弹性材料制成，处于紧绷状态，水泥基材料出料后一定时间内并不坚硬，所以紧绷的单根减材线13具有足够的剪切力；

所述内减材头8包括内减材内嵌转动盘15、内减材固定杆16、网状减材线17、永久磁铁连杆18、内减材连杆20和内减材头端22；所述内减材连杆20固定于盘体6内部，端部固定安装有内减材头端22；所述内减材头端22底面的中心位置开有通孔，通孔内开有环形凹槽，凹槽内放置有内减材内嵌转动盘15；内减材内嵌转动盘15内表面的中心位置与电机的输出端固定连接，电机固定于内减材头端22内部；内减材内嵌转动盘15外表面的中心位置固定有一个永久磁铁连杆18，永久磁铁连杆18的端部固定有永久磁铁；网状减材线17的端部通过内减材固定杆16固定于内减材内嵌转动盘15外表面；网状减材线17的减材线连接处均固定有永久磁铁，通过与永久磁铁连杆18端部的永久磁铁之间的相互斥力的作用，使得网状减材线17形成撑开的网状圆弧型结构，每根减材线位于同一球面上；网状减材线17由弹性材料制成，处于紧绷状态，水泥基材料出料后一定时间内并不坚硬，所以紧绷的网状减材线17具有足够的剪切力。

所述转动平台19、第一转动臂2、第二转动臂3和第三转动臂4采用KAWASAKI公司的机械臂结构，精度为毫米级别，能达到精度的要求。

增材头10采用现有建筑3D打印挤出系统的电动喷嘴结构，电动喷嘴由电动开关和喷头组成。泵送装置配合电动喷嘴使用，泵送装置含有衬套，衬套内安装有螺杆泵。打印时软管和侧向的进料口用法兰连接，软管另一端连接在衬套上。混凝土进入衬套内部后受螺杆搅拌，同时从软管内顺着泵送压力进入电动喷嘴并均匀挤出，属于现有技术，可采用文献《覃亚伟,骆汉宾,车海潮,徐捷.基于挤出固化的建筑3D打印装置设计及验证[J].土木工程与管理学报.2016,33(1):54-60.》中公开的。

本发明的工作原理和工作流程是：

需要进行增材工作时，手动打开定位开关9，电机带动增减材复合盘5转动使增材头10转到最前端，之后手动闭合定位开关9，完成增材建造的准备工作。底盘1移动到指定位置，再通过转动平台19、第一转动臂2、第二转动臂3和第三转动臂4之间的配合运动，将增减材复合盘5前端的增材头10移动到指定区域，再通过增材头10进行水泥基材料的挤出式打印。

当需要进行外减材工作时，手动打开定位开关9，增减材复合盘5转动使外减材头7位于最前端，之后手动闭合定位开关9，完成外减材的准备工作。开始外减材，首先调整单根减材线13的位置，外减材内嵌转动盘11依靠电机提供的动力绕其中心位置转动至指定位置，单根减材线13也随之转动至相应位置。位置调整完毕后，底盘1移动到指定位置，再通过转动平台19、第一转动臂2、第二转动臂3和第三转动臂4之间的配合运动，将增减材复合盘5前端的外减材头7移动到指定区域并进行动作，利用单根减材线13刮下待切割部分，再人工清理出被分割开的材料，实现对实体外表面突出部分的减材工作。

当需要进行内减材工作时，手动打开定位开关9，增减材复合盘5转动使内减材头8位于最前端，之后手动闭合定位开关9，完成内减材的准备工作。开始内减材，底盘1移动到指定位置，再通过转动平台19、第一转动臂2、第二转动臂3和第三转动臂4之间的配合运动，将增减材复合盘5前端的内减材头8移动到指定位置并带动网状减材线17伸入实体内部，此时网状减材线17绷紧，形成撑开的网状圆弧型结构。网状减材线17到达指定深度后停止移动，内减材内嵌转动盘15依靠电机提供的动力绕其中心位置转动数周后停止，多个内减材固定杆16和圆弧状绷紧的网状减材线17也随之转动，将被它们旋转路径包围的材料与实体分割开来。内减材内嵌转动盘15停止转动后，网状减材线17和多个内减材固定杆16沿进入路径被拔出，再人工清理出被分割开的材料，实现对实体外表面的挖孔挖槽工作。

上述减材工作均是在3D水泥基材料终凝前的塑性状态下进行的。

当外减材头7、内减材头8或增材头10发生故障，或者进行内减材工作时内减材固定杆16的长度不能满足挖孔挖槽所需深度的要求，或者外减材固定杆12不能满足要求时，需要更换相应尺寸的外减材头7、内减材头8或增材头10。换头时，手动打开定位开关9，增减材复合盘5转动使发生故障的一头旋转至定位开关9处，手动按住头端将该头拔出，之后将新头的连杆插入盘体6的对应位置，之后增减材复合盘5转动使新头旋转至最前端，手动关闭定位开关9，换头完成。

在进行增材建造时，若出现减材需要，则可依靠增减材复合盘5进行功能切换为相应的减材头，之后再切换为增材头，继续进行增材工作。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (3)

1.一种增材减材建造机器人，其特征在于该机器人包括底盘、转动平台、第一转动臂、第二转动臂、第三转动臂和增减材复合盘；底盘可移动或固定；所述转动平台与底盘通过垂直轴连接，实现转动平台绕垂直轴旋转；所述第一转动臂与转动平台通过转动副连接；第二转动臂与第一转动臂通过转动副连接；第三转动臂的一端与第二转动臂通过转动副连接；增减材复合盘通过中心的转动轴与第三转动臂的另一端连接，增减材复合盘能够绕其中心的转动轴转动；

所述增减材复合盘包括盘体、外减材头、内减材头、定位开关和增材头；所述盘体通过中心的转动轴与第三转动臂的另一端连接；盘体上安装有外减材头、内减材头和增材头；所述定位开关的壳体固定于第三转动臂的末端，壳体内部为可伸缩的杆件，伸出时杆件端部与盘体固定连接，用于将外减材头、内减材头或增材头定位于工作位置，回缩时杆件卡装于壳体内部，盘体能够旋转；外减材头用于对实体表面突出部分进行减材，内减材头用于深入实体局部进行减材，增材头用于水泥基材料的挤出式打印；

所述内减材头包括内减材内嵌转动盘、内减材固定杆、网状减材线、永久磁铁连杆、内减材连杆和内减材头端；所述内减材连杆固定于盘体内部，端部固定安装有内减材头端；所述内减材头端底面的中心位置开有通孔，通孔内开有环形凹槽，凹槽内放置有内减材内嵌转动盘；内减材内嵌转动盘内表面的中心位置与电机的输出端固定连接，电机固定于内减材头端内部；内减材内嵌转动盘外表面的中心位置固定有一个永久磁铁连杆，永久磁铁连杆的端部固定有永久磁铁；网状减材线的端部通过内减材固定杆固定于内减材内嵌转动盘外表面；网状减材线的减材线连接处均固定有永久磁铁，通过与永久磁铁连杆端部的永久磁铁之间的相互斥力的作用，使得网状减材线形成撑开的网状圆弧型结构。

2.根据权利要求1所述的增材减材建造机器人，其特征在于所述外减材头包括外减材内嵌转动盘、外减材固定杆、单根减材线、外减材连杆和外减材头端；所述外减材连杆固定于盘体内部，端部固定安装有外减材头端；所述外减材头端底面的中心位置开有通孔，通孔内开有环形凹槽，凹槽内放置有外减材内嵌转动盘；外减材内嵌转动盘内表面的中心位置与电机的输出端固定连接，电机固定于外减材头端内部；单根减材线的两端通过外减材固定杆固定于外减材内嵌转动盘外表面。

3.根据权利要求1或2所述的增材减材建造机器人，其特征在于单根减材线和网状减材线由弹性材料制成，处于紧绷状态。

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