CN110546338A - 包括受控可移动的至少一个第一装置和布置在第一装置上用于施加材料的至少一个第二装置的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种系统(10)，该系统包括受控可移动的至少一个第一装置(20)和布置在该第一装置上用于施加材料的至少一个第二装置(27)。根据本发明，为了易于产生复杂的结构，提出了该受控可移动的至少一个第一装置(20)由设置有至少一个转子(21)的飞行器(20)构成，该飞行器具有用于储存材料的至少一个容器(231；232)。

Description

包括受控可移动的至少一个第一装置和布置在第一装置上用 于施加材料的至少一个第二装置的系统
本发明涉及根据专利权利要求1的前序部分的一种系统，该系统包括受控可移动的至少一个第一装置和布置在该第一装置上用于施加材料的至少一个第二装置。
从WO 2004/065 707 A2中已知一种所述类型的系统。在这种已知的用于设立建筑物墙壁的系统中，受控可移动的第一装置可以在根据机器人手臂的方式三维可移动的悬架上移动。
本发明的任务在于设计一种系统，使得即使在墙壁结构复杂且高度较高的情况下也可以用简单的方式来施加材料。
该任务通过具有权利要求1的特征的系统得以实现。本发明的有利的实施方式在与权利要求1相关联的从属权利要求中指出。
根据本发明的系统包括作为第一装置的、装备有至少一个转子的至少一个飞行器和布置在该飞行器上用于施加材料的至少一个第二装置。与现有技术相比，该系统的特征在于，受控可移动的装置由飞行器构成，该飞行器可以执行远远超出机器人手臂的移动自由度的任何移动。在此，在根据本发明的系统中使用的飞行器具有用于储存材料的至少一个容器。通过这种储存容器，飞行器至少有时独立于其他材料的供给。换句话说，也可以将本发明简短概括为“具有材料储存容器和3D打印头的无人机”。因此，根据本发明的系统例如实现了尽可能自动地设立建筑物，而不需要为此使用机器人、脚手架、起重机、传送带或倾斜式升降机。
优选地，用于施加材料的装置包括至少一个喷嘴或打印头，优选地，借助该喷嘴或打印头，液体或膏状的材料可以沉积在可由飞行器控制的任何位置上。
至少一个容器借助至少一个泵与装置连接。优选地，该泵在其性能上在每单位时间的输送量方面是可控的。有利的改进方案还提出泵的输送压力是可调节的，以便适应于不同的可流动材料。
特别优选地，在根据本发明的系统中，飞行器具有至少两个储存容器，不同的材料组分也可以被储存在该储存容器中，如果需要，该材料组分也可以优选地在用于施加材料的第二装置中进行混合。例如，这两种组分可以由混凝土和用于混凝土的速凝剂构成。然而，也可以施加例如由良好隔离的耐候塑料材料制成的外层作为第一组分，并且施加由混凝土构成的内层作为第二组分。
根据本发明的系统的有利的改进方案提出了用于施加的第二装置或布置在该第二装置上的至少一个容器经由至少一个材料供给管线与至少一个储存容器连接。
有利地，借助至少一个承载装置将至少一个材料供给管线保持在飞行器的飞行高度以上的水平。由此，有利于向飞行器供应材料。
根据本发明的另一有利的实施方案，提出了将储存容器布置在飞行器的飞行高度以上的水平上。在这种情况下，储存容器可以布置在相邻的建筑物上、起重机上或升降平台上，或者可替代地通过至少一个浮体悬浮地布置。由此，也有利于向飞行器供应材料。
本发明的特别有利的改进方案提出，飞行器装备有至少一个浮箱这种可以填充比空气轻的气体的浮箱降低了驱动飞行器的发动机所需的发动机功率，从而降低了维持悬浮状态所需的能量。
此外，根据本发明的系统的特征还在于，飞行器装备有接收器，该接收器与连接到控制设备的发射器优选无线数据传输连接，例如无线电连接或蓝牙连接。由此，实现了地面操作人员可以以简单的方式干预对飞行器的控制。
设置在飞行器本身中或设置在靠近地面布置的控制设备中的程序存储器用于存储包括飞行器的位置数据以及装置和/或泵的材料剂量数据的至少一个工作程序，优选地，该控制设备以无线数据传输连接的方式与飞行器连接。
一般来说，用于通过逐层施加材料来设立建筑物的墙壁(包括设置在墙壁中的开口)的程序(“建造计划”)也可以编排在飞行器本身的程序存储器中，而不是编排在靠近地面布置的控制设备中。在这种情况下，也可以是至少部分的自我控制和/或自我组织，例如以人工智能算法或群体智能的形式的自我控制和/或自我组织。后者特别是在根据本发明的系统中同时使用多个飞行器的情况，其中一个飞行器可以接管“主功能”，用于同时控制其自身的飞行运动和所有其它飞行器的飞行运动的无碰撞控制，以便优化处理建造计划程序。
本发明的特别优选的实施方式提出，飞行器由无人机构成。无人机可以借助多个转子以多种方式向各个方向移动，因此也可以借助施加的材料产生复杂的形状和轮廓。
根据本发明的系统的优选应用在于，飞行器用于设立建筑物的墙壁。在此，特别优选地，用于施加材料的装置可用于施加混凝土。
此外，如果飞行器装备有用于附接附件的至少一个装置，则对于根据本发明的系统而言也是有利的。例如，这种附件可以由模板装置、窗户或门框或加强部件构成，例如待添加到建筑物顶部中的纤维垫或钢垫。借助根据本发明的系统，这种垫甚至可以通过一个或多个飞行器的相应交叉的运动路径由例如从第二装置挤出的“丝”像蜘蛛网那样编织而成。
根据本发明的系统可以包括多个飞行器，这些飞行器可以借助共同的控制装置同步地或异步地移动以实现共同的建造计划。在这种情况下，用于施加材料的装置或多个飞行器的施加装置可以被构造用于施加相同的或不同的材料。在此，可以是至少部分的自我控制和/或自我组织，例如人工智能算法或群体智能的形式的自我控制和/或自我组织。优选地，形成系统的一部分的控制装置或控制设备配备有软件应用程序，通过该软件应用程序可以将建造计划的CAD数据转换成一个或多个飞行器的位置坐标以实现建筑物，特别优选地，反过来将位置坐标转换成CAD数据以实现开发建造计划。此外，位置坐标也可以记录在控制设备中，以便检查实际值(用于施工监控或质量控制)。对于飞行器的GPS导航可替代地或附加地，飞行器的位置控制也借助激光测绘来提供。在这种情况下，与GPS数据的交互可以以多模式导航的方式进行。在此，待设立的建筑物的CAD数据被转换成几何轮廓。在这里，可以利用精度为1mm的附加的激光反射器使飞行器移动到预定位置。在这种情况下，特别是当扩展较大的建筑物时，例如也可以通过GPS进行粗略定位以及通过激光测绘进行精细定位。
为了提高精度，用于施加材料的喷嘴或打印头可以安装在杆运动学系统上，例如由FESTO公司以“Stabkinematik EXPT,Tripod”命名的杆运动学系统。这使得可以非常灵敏地并且以高反应速度来补偿飞行器的与风和天气相关的偏差。
本发明的另一有利的实施方案提出，用于施加材料的第二装置设置有鼻状(rüsselartig)和/或伸缩式可延伸的操作助手，借助该操作助手，用于施加材料的喷嘴或打印头也可以被精确地引导到加强件(Armierung)或加固件(Bewehrung)之间的中间区域中。例如，由FESTO公司与Fraunhofer(弗劳恩霍夫)的生产技术和自动化研究所合作开发的、并获得了2010年德国未来奖的仿生操作助手就是合适的操作助手。
根据本发明的系统的有用的附加功能在于，该系统还可以接管建筑工地上的附加物流功能。因此，例如提供了材料或工具的运输，该运输节省了人员的行走路线。借助飞行器不到一分钟就能把螺丝刀从地面运送到建筑物的四楼。而一个工人可能要花几分钟在路上。
通过本发明可以更快且更有效地制造建筑物的复杂结构。与传统的施工方法相比，在这种情况下可实现约30％的成本降低。
由于根据本发明的系统使用灵活、生产速度快且成本效率高，根据本发明的系统可以为更快地完成便宜的房屋做出重大贡献。附加的生产方法能够实现特别经济地利用材料，从而特别经济地利用我们的自然资源。根据本发明的系统还可以用于建筑物间隙狭窄的情况，否则使用传统的脚手架或起重机时会对建筑工地附近环境造成相当大的损害。除了建造建筑物之外，根据本发明的系统的其他有利的应用也是可以设想的，例如建造水坝或桥梁时或施加路面时可使用。
下面将参考附图更详细地阐述根据本发明的系统的实施例。其中：
图1示出了具有集成的材料容器和用于施加材料的喷嘴的飞行器的示意图；
图2示出了具有集成的材料容器和喷嘴的飞行器的示意图，该喷嘴用于通过附加的外部浮体来施加材料；
图3示出了具有材料供给管线的根据本发明的系统的示意图，该材料供给管线将飞行器与地面附近的储存容器连接，以及
图4示出了具有材料供给管线的根据本发明的系统的示意图，该材料供给管线将飞行器和布置在加高位置的储存容器连接。
在图3和图4中，示出了根据本发明的系统10的两种不同的实施方式。根据本发明的系统10包括第一装置20，该第一装置由配备有至少一个转子21的飞行器20构成。
在图1和图2中，示例性地示意示出了这种优选由具有多个转子21的无人机构成的飞行器20的两种不同的实施方式。
如图1和图2所示，根据本发明的系统10还包括用于施加材料的至少一个第二装置27。该至少一个第二装置27根据喷嘴的类型或打印头的类型进行设计，并经由输送管线26与泵24连接。优选地，如图1和图2中的双箭头所示，输送管线26由伸缩式可延伸的或三维可移动的操作助手构成或安装在该操作助手上，使得即使飞行器20偶尔固定地悬浮，喷嘴或打印头27也可以在一定的范围内移动。由于喷嘴27可借助可移动的操作助手26独立于飞行器的移动而移动，因此可以更加容易将材料放置在加强件或加固件之间难以到达的中间区域中。
在输入侧，泵24通过至少一个供给管线25与至少一个容器23或多个容器231和232连接，这些容器用于储存或缓冲特别是液体或膏状的材料。
容器231、232中的至少一个容器中的材料也可以是粉末状或固体的，并与直接从另一个容器232、231或经由供给管线25供给到第二装置27中的液体混合，以形成膏状物质。在另一变型中，例如，储存在容器231、232之一中的塑料材料也可以在施加之前在装置27中或装置27前方通过加热而熔化。如果提供了多个容器231、232，则这些容器可以容纳相同的材料或不同的组分，以产生在第二装置27中形成的材料混合物，例如作为第一组分的混凝土和作为第二组分的用于更快地固化混凝土的硬化剂。
优选地，容器23；231、232被布置在飞行器20的壳体22内。然而，可替代地或附加地，未示出的外部容器也可以布置在壳体22上。
如图1和图2所示，飞行器20另外配备有用于附接附件的至少一个装置28。例如，这些附件可以由模板和/或平滑工具形成，这些模板和/或平滑工具在装置27的两侧限定施加期间引入的材料和/或在施加期间或之后使引入的材料平滑。作为另一用途，装置28可以例如与设置在那里的夹具或保持件一起用于在建筑工地上运输材料和/或工具，并通过这种方式支持和简化物流。当在根据本发明的系统中有多个飞行器20共同工作时，也可以特殊任务专门分配给这些飞行器。因此，例如，第一飞行器20可以由塑料材料“编织”增强织物，第二飞行器20可以配备有用于施加混凝土的喷嘴27，第三飞行器20可以配备有用于平滑施加的混凝土的平滑工具，第四飞行器20可以用于将窗框定位在为此目的设置的开口中，以及第五飞行器20可以设置用于施加隔热的外层。
优选地，为了降低转子21运行以产生飞行器20的悬浮状态所需的功率，浮箱29或291布置在壳体22内或壳体22上。作为单独的腔室布置在壳体22内部的浮箱29或例如以环绕的软管的形式布置在壳体22外部的浮箱291容纳比重低于空气的气体，例如氦或氢。
飞行器20飞行到装载站以填充容器23；231、232，或者如图3和图4所示，特别优选地通过材料供给管线30与至少一个储存容器40连接。优选地，另一泵42布置在这些储存容器40中或布置在这些储存容器上，借助该泵，材料从储存容器40中经由材料供给管线30被输送到容器23；231、232或直接被输送到第二装置27。
在这种情况下，材料供给管线30可以包括多个分开的、组合成线束的管线，不同的材料可以通过这些管线进行供给。材料供给管线30也可以用于传输电能和/或燃料，以便驱动飞行器20或进行信号传输。
材料供给管线30通过连接件34与储存容器40连接，并且通过连接件32与飞行器20连接。
为了减轻飞行器20的材料供给管线30和包含在其中的材料的重量，优选设置了承载装置50，该承载装置具有基本水平的至少一个吊架51和竖直的至少一个支柱53或至少一个支承轴承52。材料供给管线30借助保持件54或56安装在这些支柱53和吊架51上。
在根据图3的实施例中，储存容器40靠近地面布置，使得材料必须通过材料供给管线30从下方输送到悬浮在空中的飞行器20。
在根据图4的可替代实施例中，储存容器40被布置在邻近的现有建筑物70上。在这种情况下，泵42通过材料供给管线30向飞行器20输送材料所需的功率明显更低。
优选地，根据本发明的系统用于设立建筑物70的至少一面墙壁60。
优选地，根据本发明的系统的控制装置借助图4中所示的控制设备80来实现，该控制设备80具有至少一个程序存储器82和至少一个发射器84。发射器84与布置在飞行器20上的接收器86优选以无线的方式进行数据传输连接。
程序存储器82包含建筑物70的建造计划，其中各个墙壁60的所有位置和尺寸，包括门和窗所需的洞孔(Aussparung)，被存储为CAD数据。程序存储器82还包含将由第二装置27输送到分别由飞行器20飞行到的位置所需的材料的数量数据，这些数据由泵24或42或未示出的阀的相应控制来控制。控制设备80借助处理器将CAD数据转换成位置坐标，例如GPS数据和/或激光测绘数据，这些数据借助发射器84被发送到接收器86，通过这些数据，至少一个飞行器20驶向相应的位置，以便依次施加材料。
反过来，飞行器20的GPS信号或激光测绘数据也可以从飞行器20上的发射器传输到控制设备80上的未示出的接收器上，并且从中确定待设立的建筑物的建造计划的数据。
具有至少一个飞行器20的根据本发明的系统也可以以相同的方式用于测量完成的建筑物70，由此可以确定建筑物的确切的实际状态。一方面，这有助于验收时的质量控制，以及定期监测建筑物的变化，例如由于沉降、地震或地颤所引起的地基弯曲而导致的沉降。这在地震多发地区对于早期预警和各种损坏情况的准确的时间记录尤其有用。
参考标记列表
10 系统
20 飞行器(第一装置，例如无人机)
21 转子
22 壳体
23 容器(用于材料)
231 容器(用于材料组分1)
232 容器(用于材料组分2)
24 泵
25 供给管线
26 输送线或操作助手
27 (第二)装置(用于施加材料)
271 喷嘴或打印头
28 装置(用于安装附件)
29 浮箱(在22内部)
291 浮箱(在20外部)
30 材料供给管线
32 连接件(从30到23)
34 连接件(从30到40)
40 储存容器
42 泵
50 承载装置
51 吊架
52 支承轴承
53 支柱
54 保持件
56 保持件
60 建筑物部分(墙壁)
70 建筑物
80 控制设备
82 程序存储器
84 发射器
86 接收器。

Claims (15)

1.一种系统(10)，包括受控可移动的至少一个第一装置(20)和布置在第一装置上用于施加材料的至少一个第二装置(27)，
其特征在于，
所述受控可移动的至少一个第一装置(20)由设置有至少一个转子(21)的飞行器(20)构成，所述飞行器具有用于储存材料的至少一个容器(23；231；232)。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二装置(27)包括至少一个喷嘴(271)或打印头(271)。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述至少一个容器(23；231；232)借助至少一个泵(24)与所述第二装置(27)连接。
4.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述飞行器(20)具有至少两个容器(231；232)。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述两个容器(231；232)适用于接收不同的材料组分，所述不同的材料组分能够通过所述第二装置(27)进行混合。
6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述第二装置(27)和/或所述至少一个容器(23；231；232)通过至少一个材料供给管线(30)与至少一个储存容器(40)连接。
7.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述至少一个材料供给管线(30)借助至少一个承载装置(50)被保持在所述飞行器(20)的飞行高度以上的水平上。
8.根据权利要求6至7中任一项所述的系统，其特征在于，所述储存容器(40)被布置在所述飞行器(20)的飞行高度以上的水平上。
9.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述飞行器(20)设置有至少一个浮箱(29；291)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述飞行器(20)设置有接收器(86)，所述接收器与连接到控制设备(80)的发射器(84)无线电连接。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述控制设备(80)具有至少一个程序存储器(82)，所述程序存储器用于存储至少一个工作程序，所述工作程序包括关于所述至少一个飞行器(20)的位置数据和关于所述装置(27)和/或所述泵(24)的材料剂量数据。
12.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述飞行器(20)由无人机(20)构成。
13.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述飞行器(20)能够用于设立建筑物(70)的墙壁(60)和/或用于施加混凝土。
14.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述飞行器(20)设置有用于附接附件或者运输材料或工具的至少一个装置(28)。
15.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，在所述至少一个容器(23；231；232)和用于施加材料的所述第二装置(27)之间设置了输送管线(26)，所述输送管线特别地由伸缩式可延伸的或三维可移动的操作助手构成或被安装在所述操作助手上。
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