CN110253709A - 一种3d建筑打印机器人及建筑打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种3D建筑打印机器人及建筑打印方法，打印机器人包括：可移动的车体、机械手臂、用于喷涂混凝土的打印设备、定位设备、输入设备以及控制器，所述机械手臂的一端安装在所述车体上，所述机械手臂的另一端安装有所述打印设备，所述定位设备以及所述控制器安装在所述车体上，所述机械手臂、所述打印设备、所述定位设备以及所述输入设备均与所述控制器连接。本发明具备可移动的车体、机械手臂、打印设备、定位设备以及控制器，可以实施建筑物的立体打印操作，降低人工劳动强度，提高施工安全性，提高施工效率。

Description

一种3D建筑打印机器人及建筑打印方法

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种3D建筑打印机器人及建筑打印方法。

背景技术

传统的建筑施工依赖于人工对混凝土进行浇筑，以实现建筑物的堆砌以及建构，这种建筑方式使得人工劳动强度较大，施工安全性较低，施工效率较低。在现有技术中没有一种可以解决上述问题的装置以及方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种3D建筑打印机器人及建筑打印方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种3D建筑打印机器人，其包括：包括：可移动的车体、机械手臂、用于喷涂混凝土的打印设备、定位设备、输入设备以及控制器，所述机械手臂的一端安装在所述车体上，所述机械手臂的另一端安装有所述打印设备，所述定位设备以及所述控制器安装在所述车体上，所述机械手臂、所述打印设备、所述定位设备以及所述输入设备均与所述控制器连接，所述输入设备，用于获取用户输入的喷涂轨迹；所述定位设备，用于获取所述车体位置信息；所述控制器，用于根据所述喷涂轨迹以及所述车体位置信息控制所述车体、机械手臂以及打印设备的行进轨迹。

本发明的有益效果是：本发明具备可移动的车体、机械手臂、打印设备、定位设备以及控制器，可以实施建筑物的立体打印操作，降低人工劳动强度，提高施工安全性，提高施工效率。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述车体包括：多个车轮、多个伺服电机以及底盘，多个所述伺服电机中的每两个伺服电机为一组分别控制一个车轮的转向以及转动，每个车轮上的第一伺服电机的输出轴与所述车轮同轴设置，用于带动车轮转动以驱动机器人行驶，每个车轮上的第二伺服电机的输出轴与车轮的转向系统的输入轴连接，用于控制车轮的转向角度以驱动机器人的转弯以及掉头，多个所述伺服电机均与所述控制器连接。

采用上述进一步方案的有益效果：通过将机械手臂、打印设备以及控制器安装在车体上，实现机器人的移动，使得打印工作逐渐向前递推，提高打印效率，提高打印动作的灵活性。

进一步，还包括：多个用于获取多级机械手臂中的每级机械手臂位置信息的第一三维传感器和用于获取打印设备位置信息的第二三维传感器，所述机械手臂为多级机械手臂，多个所述第一三维传感器分别设置在多级机械手臂上的各级手臂上，所述第二三维传感器设置在所述打印设备上，多个所述第一三维传感器以及所述第二三维传感器均与所述控制器连接。

采用上述进一步方案的有益效果：第一三维传感器和第二三维传感器的设置，使得控制器可以实时获取当前打印设备和机械手臂的位置信息，便于控制器根据实时位置信息精准地控制打印设备以及机械手臂进行工作。

进一步，还包括：用于驾驶所述车体的驾驶室、蓄料罐、设置在所述蓄料罐中的混凝土搅拌机、管路以及液压泵，所述驾驶室、所述蓄料罐以及所述混凝土搅拌机均设置在所述车体上，所述蓄料罐为空腔结构，所述混凝土搅拌机可转动地设置在所述蓄料罐中，所述蓄料罐的输出端与所述打印设备的输入端连接；

所述机械手臂为中空结构，所述管路贯穿设置在机械手臂中，所述液压泵的输入端与所述蓄料罐的输出端连接，所述液压泵的输出端通过所述管路与所述打印设备的输入端连接。

进一步，还包括：用于采集信号灯和道路分割线以及用于检测障碍目标的三维成像光电传感器以及用于切换无人驾驶模式和人工驾驶模式的模式切换开关，所述三维成像光电传感器以及所述模式切换开关均安装在所述车体上，所述三维成像光电传感器通过所述模式切换开关与所述控制器连接。

采用上述进一步方案的有益效果：三维成像光电传感器的设置，使得机器人可以在待打印区域和车库之间自动行驶，实现远程对机器人的调取和控制。

一种3D建筑打印方法，利用上述3D建筑打印机器人，打印方法包括：

获取用户输入的喷涂轨迹以及车体位置信息；

根据所述喷涂轨迹以及所述车体位置信息控制所述车体、机械手臂以及打印设备的行进轨迹。

进一步，还包括：获取用户输入的喷涂量信息；

根据所述喷涂量信息调节所述打印设备的喷涂口径，从而控制打印设备的喷涂量。

进一步，还包括：获取多级机械手臂中的每级机械手臂位置信息；

根据所述每级机械手臂位置信息以及所述喷涂轨迹控制所述多级机械手臂的运动轨迹。

进一步，还包括：获取打印设备位置信息；

根据所述打印设备位置信息以及所述喷涂轨迹控制所述打印设备的打印轨迹。

进一步，还包括：获取沿途道路分割线信息、沿途信号灯信息以及障碍目标信息；

根据所述沿途道路分割线信息、沿途信号灯信息以及障碍目标信息，生成行驶指令或者停止指令；

根据所述行驶指令或者停止指令控制所述车体的行驶轨迹。

附图说明

图1为本发明实施例提供的打印机器人的结构示意图之一。

图2为本发明实施例提供的打印机器人的结构示意图之二。

图3为本发明实施例提供的打印方法的示意性流程框图。

附图标号说明：1-车体；2-机械手臂；3-打印设备；4-定位设备；5-输入设备；6-控制器；7-车轮；8-伺服电机；9-底盘；10-电池；11-第一三维传感器；12-第二三维传感器；13-三维成像光电传感器；14-模式切换开关；15-驾驶室；16-蓄料罐；17-混凝土搅拌机；18-液压泵。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1至图3所示，图1为本发明实施例提供的打印机器人的结构示意图之一。图2为本发明实施例提供的打印机器人的结构示意图之二。图3为本发明实施例提供的打印方法的示意性流程框图。

如图1和2所示，本发明实施例提供一种3D建筑打印机器人，其包括：可移动的车体1、机械手臂2、用于喷涂混凝土的打印设备3、定位设备4、输入设备5以及控制器6，所述机械手臂2的一端安装在所述车体1上，所述机械手臂2的另一端安装有所述打印设备3，所述定位设备4以及所述控制器6安装在所述车体1上，所述机械手臂2、所述打印设备3、所述定位设备4以及所述输入设备5均与所述控制器6连接，

所述输入设备5，用于获取用户输入的喷涂轨迹；

所述定位设备4，用于获取所述车体位置信息；

所述控制器6，用于根据所述喷涂轨迹以及所述车体位置信息控制所述车体、机械手臂以及打印设备的行进轨迹。

控制器是整个机器人的核心，控制其他各个部件的工作，并具有控制各个部件进行相应的运动、规划各个部件的运动轨迹等功能。对于混凝土的调和方面，可以在混凝土中添加适量的增稠剂以及粘连剂，便于混凝土的喷涂以及凝固。输入设备可以为带有键盘的显示屏或者触屏式显示屏，用于接收用户的相关设置指令。所述定位设备可以为GPRS定位器或者卫星定位器。

本发明实施例提供的打印机器人可以但不限于应用在建筑物打印技术领域。本发明实施例的打印机器人可以但不限于对建筑中的外围结构进行打印，可以但不限于对非承重墙体结构进行打印。本发明实施例提供的打印机器人可以一台打印机器人单独进行打印工作，也可以根据实际需要选择多台打印机同时进行打印工作，提高生产效率。可以通过控制器控制，使得打印机器人在建筑物内部自动行走并进行打印工作，提高打印机器人的智能性，降低用户的劳动强度。

具体地，本发明实施例提供的3D建筑打印机器人可以分为：无人驾驶的打印机器人和有人驾驶的打印机器人。有人驾驶的打印机器人是指打印机器人前往施工现场或回程时行驶途中通过人工驾驶。无人驾驶的打印机器人是指打印机器人前往施工现场或回程时行驶途中为无人驾驶模式。打印机器人的控制器可以分为：第一控制模块和第二控制模块，第一控制模块用于控制车体长途行驶。第二控制模块用于控制工程打印工作。第一控制部件控制四轮的驱动，每个轮子设有两个大扭矩的直流伺服电机，一个直流伺服电机用于驱动轮子反正转，另一个直流伺服电机用于控制轮子360°转向。直流伺服电机可以通过程序控制或者人为控制，本申请中优选的是通过程序控制直流伺服电机进行相应的转动，从而控制车轮进行转弯或者旋转。定位设备可以为卫星定位系统，定位设备的设置使得在无人驾驶模式下后台可通过网络及时控制车辆。

在无需打印工作时可改为人为控制车辆或无人驾驶车辆前往施工现场或返回原地。

本发明具备可移动的车体、机械手臂、打印设备、定位设备以及控制器，可以实施建筑物的立体打印操作，降低人工劳动强度，提高施工安全性，提高施工效率。

进一步，所述车体1包括：多个车轮7、多个伺服电机8以及底盘9，多个所述伺服电机8中的每两个伺服电机为一组分别控制一个车轮的转向以及转动，每个车轮7上的第一伺服电机的输出轴与所述车轮7同轴设置，用于带动车轮7转动以驱动机器人行驶，每个车轮7上的第二伺服电机的输出轴与车轮7的转向系统的输入轴连接，用于控制车轮7的转向角度以驱动机器人的转弯以及掉头，多个所述伺服电机8均与所述控制器6连接。

通过将机械手臂、打印设备以及控制器安装在车体上，实现机器人的移动，使得打印工作逐渐向前递推，提高打印效率，提高打印动作的灵活性。

打印设备的喷涂口为可调节式，在打印设备的输出端可以设置有一对挡板，一对挡板的一端分别可转动地设置在打印设备的输出端，一对挡板相对设置，一对挡板中的其中一个挡板上设置有螺纹孔，丝杠的一端贯穿该挡板上的螺纹孔，第三伺服电机安装在所述打印设备的外壁上，丝杠的另一端与第三伺服电机的输出轴连接，第三伺服电机的正反转，带动该挡板向另一挡板合并或者分离，从而实现打印设备喷涂口径的调节。其中，一对挡板可以为扁圆弧形结构。

进一步，还包括：多个用于获取多级机械手臂2中的每级机械手臂位置信息的第一三维传感器11和用于获取打印设备3位置信息的第二三维传感器12，所述机械手臂2为多级机械手臂，多个所述第一三维传感器11分别设置在多级机械手臂2上的各级手臂上，所述第二三维传感器12设置在所述打印设备3上，多个所述第一三维传感器11以及所述第二三维传感器12均与所述控制器6连接。

本发明实施例的打印机器人还包括：电源接口，所述电源接口设置在所述车体上，所述电源接口的输出端分别与多个所述伺服电机、所述机械手臂、所述打印设备、所述定位设备、所述输入设备以及所述控制器连接。打印机器人在进行现场打印工作时需要外接电源。以为打印工作中的各个部件提供电源动力。打印机器人在前往施工现场或者返回途中时是靠电池进行供电。

第一三维传感器11用于获取机械手臂2的位置信息，第二三维传感器12用于获取打印设备3的位置信息。

具体地，轮子的上方是车体，车体可以为一个车辆平台，车辆平台的中部可以设置一个空腔，在空腔中安装有锂离子电池，锂离子电池作为蓄电以及给电装置。

电池具有充电管理及放电管理功能，并支持低电量报警、温度报警等功能，为整个机器人提供电源。

机械手臂2的底座安装在车体1上，机械手臂2是一个可以360°旋转的可伸缩的四折机械手臂，机械手臂2的旋转靠伺服电机8驱动。

各级机械手臂之间通过万向节相互连接，万向节具有自锁功能，第一三维传感器可以为光电雷达测距传感器，第二三维传感器可以为光电雷达测距传感器，机械手臂的末端设置有光电雷达测距传感器和打印设备的出料口，光电雷达测距传感器与控制器相连。机械手臂的每个折点均可以360°折回原点，每个折点设有一个雷达感应传感器，以便控制各级机械手臂之间的相对折点角度。

机械手臂每个折点位置处设有伺服电机驱动各级机械手臂的弯程，机械手臂中的伺服电机均与控制器相连。此外，在每级机械手臂的两端分别设置有伺服电缸，使得机械手臂的每一段都可伸缩，伸缩驱动靠伺服电缸控制的伸缩来带动，伺服电缸与控制器相连。

进一步，还包括：用于驾驶所述车体1的驾驶室15、蓄料罐16、设置在所述蓄料罐16中的混凝土搅拌机17、管路以及液压泵18，所述驾驶室15、所述蓄料罐16以及所述混凝土搅拌机17均设置在所述车体1上，所述蓄料罐16为空腔结构，所述混凝土搅拌机17可转动地设置在所述蓄料罐16中，所述蓄料罐16的输出端与所述打印设备3的输入端连接；

所述机械手臂2为中空结构，所述管路贯穿设置在机械手臂2中，所述液压泵18的输入端与所述蓄料罐16的输出端连接，所述液压泵18的输出端通过所述管路与所述打印设备3的输入端连接。

进一步，还包括：用于采集信号灯和道路分割线以及用于检测障碍目标的三维成像光电传感器13以及用于切换无人驾驶模式和人工驾驶模式的模式切换开关14，所述三维成像光电传感器13以及所述模式切换开关14均安装在所述车体1上，所述三维成像光电传感器13通过所述模式切换开关14与所述控制器6连接。

无人驾驶模式时，车体在驾驶方面的技术类似于AGV(AutomatedGuided Vehicle，自动导引运输车)；人工驾驶模式时，车体在驾驶方面的技术类似于建筑工程车量。

无人驾驶主要是通过成像雷达作为眼睛，成像雷达采集的数据传送至中央处理器(即处理芯片、控制器)，中央处理器把整理后的数据传到控制车轮的制动装置上，制动装置控制车轮的转向。例如：或停或转弯，控制扭向变量，都是按照中央处理器给的数据实现的。

对于模式切换开关：摁下模式切换开关切换至人工驾驶模式，此时三维成像光电传感器以及制动装置可以关闭，完全靠人工对车辆进行驾驶。

具体地，车辆平台的四周可以设有三维光电成像测距雷达，雷达与控制器连接。所述打印设备3的喷头为可以拆卸式结构，用户可以根据实际需要更换不同的喷头，这里不同的喷头可以具有不同的口径或者不同的粗糙度。

三维成像光电传感器的设置，使得机器人可以在待打印区域和车库之间自动行驶，实现远程对机器人的调取和控制。

上文结合图1和2，详细描述了根据本发明实施例提供的3D建筑打印机器人。下面结合图3，详细描述本发明实施例提供的3D建筑打印方法。

如图3所示，本发明实施例还提供一种3D建筑打印方法，利用上述3D建筑打印机器人，打印方法包括：

获取用户输入的喷涂轨迹以及车体位置信息；

根据所述喷涂轨迹以及所述车体位置信息控制所述车体、机械手臂以及打印设备的行进轨迹。

实施建筑物的立体打印操作，降低人工劳动强度，提高施工安全性，提高施工效率。

为了提供喷涂量的准确性，在上述实施例的基础上还可以包括：

获取用户输入的喷涂量信息；

根据所述喷涂量信息调节所述打印设备的喷涂口径，从而控制打印设备的喷涂量。

通过自动调节喷涂口径，使得3D建筑打印机器人可以根据用户的实际需要自动调节打印设备的喷涂口径，满足用户的不同要求，提高用户体验。

为了提高机械手臂的运动精准性，还可以包括：

获取多级机械手臂中的每级机械手臂位置信息；

根据所述每级机械手臂位置信息以及所述喷涂轨迹控制所述多级机械手臂的运动轨迹。

将各级机械臂以及打印设备的位置进行综合分析以及处理，提高3D建筑打印机器人的喷涂轨迹精准性。

为了提高打印设备的轨迹运动精准性，还可以包括：

获取打印设备位置信息；

根据所述打印设备位置信息以及所述喷涂轨迹控制所述打印设备的打印轨迹。

使得3D建筑打印机器人的喷涂轨迹严格按着用户输入的要求进行，提高3D建筑打印机器人喷涂轨迹的精准性。

为了实现3D建筑打印机器人的无人驾驶功能，还可以包括：

获取沿途物体信息以及沿途信号灯信息；

根据所述沿途物体信息以及所述信号灯信息，生成行驶指令或者停止指令；

根据所述行驶指令或者停止指令控制所述车体的行驶轨迹。

使得3D建筑打印机器人可以自动识别路途中的信号灯以及障碍物，从而根据实际路况进行具体的控制，例如停止行驶或者绕开障碍物等动作，实现3D建筑打印机器人的自动驾驶。提高3D建筑打印机器人的智能性，提高用户体验。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种3D建筑打印机器人，其特征在于，包括：可移动的车体、机械手臂、用于喷涂混凝土的打印设备、定位设备、输入设备以及控制器，所述机械手臂的一端安装在所述车体上，所述机械手臂的另一端安装有所述打印设备，所述定位设备以及所述控制器安装在所述车体上，所述机械手臂、所述打印设备、所述定位设备以及所述输入设备均与所述控制器连接，

所述输入设备，用于获取用户输入的喷涂轨迹；

所述定位设备，用于获取所述车体位置信息；

所述控制器，用于根据所述喷涂轨迹以及所述车体位置信息控制所述车体、机械手臂以及打印设备的行进轨迹。

2.根据权利要求1所述的一种3D建筑打印机器人，其特征在于，所述车体包括：多个车轮、多个伺服电机以及底盘，多个所述伺服电机中的每两个伺服电机为一组分别控制一个车轮的转向以及转动，每个车轮上的第一伺服电机的输出轴与所述车轮同轴设置，用于带动车轮转动以驱动机器人行驶，每个车轮上的第二伺服电机的输出轴与车轮的转向系统的输入轴连接，用于控制车轮的转向角度以驱动机器人的转弯以及掉头，多个所述伺服电机均与所述控制器连接。

3.根据权利要求2所述的一种3D建筑打印机器人，其特征在于，还包括：多个用于获取多级机械手臂中的每级机械手臂位置信息的第一三维传感器和用于获取打印设备位置信息的第二三维传感器，所述机械手臂为多级机械手臂，多个所述第一三维传感器分别设置在多级机械手臂上的各级手臂上，所述第二三维传感器设置在所述打印设备上，多个所述第一三维传感器以及所述第二三维传感器均与所述控制器连接。

4.根据权利要求1所述的一种3D建筑打印机器人，其特征在于，还包括：用于驾驶所述车体的驾驶室、蓄料罐、设置在所述蓄料罐中的混凝土搅拌机、管路以及液压泵，所述驾驶室、所述蓄料罐以及所述混凝土搅拌机均设置在所述车体上，所述蓄料罐为空腔结构，所述混凝土搅拌机可转动地设置在所述蓄料罐中，所述蓄料罐的输出端与所述打印设备的输入端连接；

所述机械手臂为中空结构，所述管路贯穿设置在机械手臂中，所述液压泵的输入端与所述蓄料罐的输出端连接，所述液压泵的输出端通过所述管路与所述打印设备的输入端连接。

5.根据权利要求1所述的一种3D建筑打印机器人，其特征在于，还包括：用于采集信号灯和道路分割线以及用于检测障碍目标的三维成像光电传感器以及用于切换无人驾驶模式和人工驾驶模式的模式切换开关，所述三维成像光电传感器以及所述模式切换开关均安装在所述车体上，所述三维成像光电传感器通过所述模式切换开关与所述控制器连接。

6.一种3D建筑打印方法，其特征在于，利用权利要求1-5任意一项所述的一种3D建筑打印机器人，打印方法包括：

获取用户输入的喷涂轨迹以及车体位置信息；

根据所述喷涂轨迹以及所述车体位置信息控制所述车体、机械手臂以及打印设备的行进轨迹。

7.根据权利要求6所述的一种3D建筑打印方法，其特征在于，还包括：

获取用户输入的喷涂量信息；

根据所述喷涂量信息调节所述打印设备的喷涂口径，从而控制打印设备的喷涂量。

8.根据权利要求6所述的一种3D建筑打印方法，其特征在于，还包括：

获取多级机械手臂中的每级机械手臂位置信息；

根据所述每级机械手臂位置信息以及所述喷涂轨迹控制所述多级机械手臂的运动轨迹。

9.根据权利要求6所述的一种3D建筑打印方法，其特征在于，还包括：

获取打印设备位置信息；

根据所述打印设备位置信息以及所述喷涂轨迹控制所述打印设备的打印轨迹。

10.根据权利要求6所述的一种3D建筑打印方法，其特征在于，还包括：

获取沿途道路分割线信息、沿途信号灯信息以及障碍目标信息；

根据所述沿途道路分割线信息、沿途信号灯信息以及障碍目标信息，生成行驶指令或者停止指令；

根据所述行驶指令或者停止指令控制所述车体的行驶轨迹。