CN111136800B - 用于在建筑物表面上对预定钻孔点进行确定和钻孔的系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于在建筑物表面上对预定钻孔点进行确定和钻孔的系统（100），包括使用BIM技术创建的基于BIM的建筑物模型；与基于BIM的建筑物模型通信的RTS，以识别建筑物的预定义区域中的两个或更多个参考点；可移动以在表面上钻孔的钻孔装置（20）；机器视觉单元，其配置为捕获和处理参考点的图像以确定预定钻孔点的位置并生成与预定钻孔点相关联的钻孔数据；以及与机器视觉单元相联接的控制装置，以接收所产生的钻孔数据并控制钻孔装置（20）的钻头与预定钻孔点重合并向上移动以在预定钻孔点的建筑物表面进行钻孔。本发明的系统（100）显著降低了劳动强度，但是对于钻孔表面是有效的。

Description

用于在建筑物表面上对预定钻孔点进行确定和钻孔的系统

技术领域

本发明通常涉及一种用于对建筑物的表面进行钻孔的系统，并且更具体地，涉及一种用于对建筑物的架空表面(例如，墙壁或天花板)进行确定和钻孔的系统，其允许操作者自动或手动地进行钻孔操作，并且是容易和安全的。

背景技术

在建筑物的建造过程中，首先要搭建建筑物的框架，然后再安装墙壁和天花板。为了固定机械零件并出于机械、电气和管道(MEP)服务的服务目的，必须在预定位置钻出墙壁表面和天花板上的孔或凹口。钻孔工作(特别是天花板上的架空钻孔工作)被认为是笨拙、单调且费力的过程，并且还需要大量的时间，因为在架空表面上(例如天花板拱腹)进行钻孔需要例如梯子、平台、架子等的辅助装置，并且在施工现场的不同位置进行多次调整或缩放。另外，在施工现场使用辅助工具进行钻孔作业的操作者有跌落的风险。

建筑信息模型(BIM)是设施物理和功能特征的数字表示，它是结合了关于设施各个方面和资源的信息的工程数据模型。

机器人全站仪(RTS)设计用于自动测量地形和大地测量工作中的倾斜距离、水平和垂直角度以及标高，转速测量以及用于解决应用大地测量任务。测量结果可以记录到内部存储器中，并传输到个人计算机接口。

机器视觉是用于为工业中的自动检查、过程控制和机器人指导等应用提供基于图像的自动检查和分析的技术。通常，机器视觉包括硬件和软件的组合，其例如执行客观测量(例如基于图像的捕获和处理在执行其功能时向设备提供位置信息)。

将BIM技术与RTS和机器视觉技术结合使用可以有效地消除在繁琐、高且苛刻的天花板条件下执行钻孔操作的需要。

因此，在建筑业中非常需要一种钻孔系统，以解决上面讨论的劳动强度的缺点和其它缺点，并且该钻孔系统对于精确位置的表面进行确定和钻孔是有效的。

发明内容

为了满足上述需求而开发了本发明，因此本发明的主要目的是提供一种能够确定预定钻孔点的钻孔系统，其明显更经济且方便地在建筑物表面上(尤其是在高度较大的表面上)钻孔预定钻孔点。

本发明的另一个目的是提供一种无需复杂的硬件安装的钻孔系统，其允许在地面上容易且安全地进行架空钻孔操作。

本发明的另一目的是提供一种钻孔系统，其允许以高精度和高速度自动和/或手动地钻孔建筑表面。

本发明的钻孔系统可以被称为架空钻孔系统(ODS)。

通过提供一种用于在建筑物的预定义区域中的表面上对预定钻孔点进行确定和钻孔的系统，可以满足本发明的这些和其它目的和优点，该系统包括：

使用建筑物信息建模(BIM)创建的与建筑物相对应的基于BIM的建筑物模型，其中，与建筑物表面的预定钻孔点有关的信息被识别并记录在基于BIM的建筑物模型中；

与基于BIM的建筑物模型通信或加载有基于BIM的建筑物模型的定位单元，其中，在基于BIM的建筑物模型中选择两个或更多个控制点，并且定位单元配置为识别在建筑物的预定义区域中的两个或更多个参考点，该两个或更多个参考点对应于基于BIM的建筑物模型中的两个或更多个控制点，

钻孔装置，其可移动到建筑物的表面以对预定的钻孔点处的表面进行钻孔，

机器视觉单元，其配置为捕获和处理预定义区域的图像以识别参考点，从而确定预定钻孔点的位置并生成与预定钻孔点相关联的钻孔数据；

控制装置，其与机器视觉单元联接以接收所生成的钻孔数据，并且编程为控制钻孔装置的钻头与预定钻孔点重合以及致动钻孔装置朝着预定钻孔点的建筑物表面移动并使用钻孔数据对预定钻孔点的建筑物表面进行钻孔。

在本发明的一个优选实施方式中，本发明的系统还包括底盘；以及用于移动钻孔装置并设置在底盘上的设备。移动设备包括：用于使钻孔装置在X轴方向上移动的X轴移动装置；用于使钻孔装置在与X轴垂直的Y轴方向上移动的Y轴移动装置；以及用于使钻孔装置在Z轴方向上移动的Z轴移动装置。X轴和Y轴限定平行于待钻孔的建筑表面的预定义区域的X-Y平面，并且Z轴垂直于X-Y平面。

优选地，X轴移动装置包括定位在底盘的两个相对侧的两个X轴线性致动器，以驱动钻孔装置在X轴方向上的线性运动；Y轴移动装置包括一个Y轴线性致动器，以驱动钻孔装置在Y轴方向上的线性运动；并且Z轴移动装置包括一个Z轴线性致动器，以驱动钻孔装置在Z轴方向上的线性运动。

在本发明的特定实施方式中，移动设备与控制装置可操作地联接。控制装置配置为控制安装在X轴线性致动器之一上的X轴电动机以操纵钻孔装置移动，控制安装在Y轴线性致动器上的Y轴电动机以操纵钻孔装置移动，以及控制安装在Z轴线性执行器上的Z轴电动机以操纵钻孔装置移动。优选地，X轴和Y轴电动机选自伺服电动机，而Z轴电动机选自步进电动机，以实现微范围内的精细分辨率和高精度操作。

为了便于识别和确定建筑物的预定义区域中的参考点，提供了标记单元以在每个参考点上施加标记。有利地，标记单元与控制装置可操作地联接，从而控制为与待标记的参考点重合并向表面移动以将标记施加在参考点上。标记单元可以设置在移动设备上，使得其也可以通过移动设备移动。根据本发明的标记单元可以选自墨块(ink chop)或书写工具。

在某些情况下，本发明的系统可以进一步包括用于引导的光束跟踪器单元，以将参考点定位在预定义区域中。光束跟踪器单元可以包括多个十字准线激光指示器，并且为每个参考点分配了两个十字准线激光指示器，其限定了参考点所在的参考区域。

采用机器人全站仪(RTS)作为根据本发明的定位单元是有利的。RTS与基于BIM的建筑物模型通信，并且RTS照射光束以入射到预定义区域中的参考点上。

根据本发明的系统的机器视觉单元包括：光源，用于照射预定义区域；至少一个摄像机，用于捕捉预定义区域的图像；以及处理器，其编程为从捕捉的图像中提取和验证参考点的信息，以确定预定钻孔点并生成与预定钻孔点相关的钻孔数据。

有利地，根据本发明的系统还包括安装在钻孔装置上的接近传感器，以检测钻头与待钻孔表面之间的距离，该距离适于使钻孔装置上升以钻孔表面。

可以在本发明的系统中提供集尘器，并且集尘器布置成收集在建筑表面的钻孔过程中产生的砂浆粉尘。

为了更好地理解本发明，结合附图对本发明及其实施方式进行以下详细描述。

附图说明

图1是根据本发明的实施方式构造的示例性系统的俯视图。

图2是图1所示系统的主视图。

图3是根据本发明的系统的控制装置的示例性控制电路。

在附图的各个图示中，相同的附图标记用于表示相同的部件。

具体实施方式

尽管在优选实施方式中示出和描述了本发明，但是本发明的钻孔系统可以以许多不同的构造、尺寸、形式和材料来制造。

现在参考附图，图1至图3提供了一种系统100，该系统用于在根据本发明的优选实施方式构造的建筑物的预定义区域中的表面上对预定钻孔点进行确定并钻孔。

使用建筑物信息模型(BIM)创建与正在建造的建筑物相对应的建筑物模型。使用BIM信息定位块记录有关建筑物框架的信息以及有关建筑物的MEP服务的信息(包括MEP服务的安装位置和建筑物表面上的钻孔点)。这样的钻孔点将用作表面的预定钻孔点。与建筑物有关的其它数据或信息也可以记录在BIM模型中。基于BIM创建建筑模型是在本领域技术人员的能力范围内，因此在此不再赘述。基于BIM的建筑物模型与机器人全站仪(RTS，未示出)直接通信。RTS在本领域中也是众所周知的，并且在此也不进行讨论。

在基于BIM的建筑物模型中记录的钻孔点中，使用插件程序(例如Autodesk的Revit软件和Revit的Trimble Field Point)识别目标建筑表面上的理想钻孔点。所识别的钻孔点将用作待钻孔表面的预定钻孔点。

为了提供易于使用和实施系统100的优势，将待钻孔的建筑工地的实际建筑表面划分为多个预定义矩形区域是有利的，待钻孔的表面的预定钻孔点位于预定义矩形区域中。一个示例性的预定义区域可以具有这样的区域，该区域的长度为1000cm至1500cm，宽度为500cm至1000cm。这样的区域使钻孔操作变得容易且更精确。

现在参考图1和图2，示出了用于在根据本发明的一个示例构造的架空建筑表面(例如，天花板表面)的预定义区域中对预定钻孔点进行确定和钻孔的系统100。预定义区域对应于地面的钻孔区域10，并且选择为在形状和尺寸上对应于天花板表面的预定义区域。如图所示，系统100包括钻孔装置20、行进底盘30以及用于移动钻孔装置20并支撑在底盘30上的移动设备。钻孔装置20可以选自本领域中已知的任何钻孔装置，在本实施方式中，钻孔装置20为直流电池操作的钻孔机。底盘30配置为用于支撑构成移动设备的所有部件的行进框架，这将在下文中描述。

该移动设备包括：用于使钻孔装置20在X轴方向上移动的X轴移动装置；用于使钻孔装置20在与X轴垂直的Y轴方向上移动的Y轴移动装置；以及用于沿Z轴方向移动钻孔装置的Z轴移动装置。如图1所示，X轴和Y轴限定平行于地面和待钻孔的天花板表面的预定义区域的X-Y平面，并且Z轴垂直于X-Y平面。在本发明的所示实施方式中，X轴移动装置包括两个位于底盘30的两个相对侧的X轴线性致动器42。两个X轴线性致动器42由安装在两个X轴线性致动器之一的一端上的X轴伺服电动机41操纵，从而驱动钻孔装置20沿着X轴线性致动器在X轴方向上的线性运动。Y轴移动装置包括设置在两个X轴线性致动器42上并跨越两个X轴线性致动器42的一个Y轴线性致动器44。Y轴伺服电动机43安装在Y轴线性致动器的一端，从而驱动钻孔装置20沿着Y轴线性致动器44在Y轴方向上的线性运动。Z轴移动装置包括垂直安装在Y轴线性致动器44上的一个Z轴线性致动器46。Z轴步进电动机45安装在Z轴线性致动器46的一端，从而驱动钻孔装置20沿Z轴线性致动器46在Y轴方向上(即相对于地面高度的垂直方向)的线性运动。

伺服电动机41、43和步进电动机45用于将旋转运动转换成致动器42、44和46在其各自方向上的线性位移，因此，线性位移导致钻孔装置20在三个不同的方向上运动，以使钻孔装置20的钻头与表面的预定钻孔点重合并移动至该预定钻孔点。在该实施方式中，步进电动机45和伺服电动机41、43是直流型电动机，它们可由放置在控制柜50中相应的电动机控制器控制。因此，钻孔装置20可以自动地或通过操作员手动操作地分别在X、Y和Z轴方向上移动。

X轴和Y轴线性致动器42、44的尺寸确定为在长度上对应于钻孔区域10的长度和宽度。因此，设置在Y轴线性致动器46上的钻孔装置能够在X-Y平面内相对于预定义区域移动，并使其对准待钻孔的天花板表面的任何点。致动Z轴线性致动器46以使钻孔装置20竖直地上下移动。一台或多台工业级计算机(未示出)放置在控制柜50中以提供接口，使得操作员能够修改和控制X、Y和Z轴线性致动器的运动。

如图2所示，负载压力传感器80安装在Z轴线性致动器46上，以传递指示在预定钻孔点处的钻孔深度的负载信号。如果钻孔装置20的钻头行进的长度大于代表预定钻孔深度的最大阈值，则系统100将接收警报，并且钻孔操作停止。此外，电磁接近传感器90安装在Z轴线性致动器46上以检测钻头与天花板表面之间的距离，并且该距离是可调节的，以根据接近传感器90更好地在天花板表面上钻孔。

系统100的一个重要特征是捕获和处理预定义区域的图像的机器视觉单元。机器视觉单元包括照明模块、具有用于捕获图像的镜头和图像传感器的摄像机(例如CCD摄像机)、以及用于查看从摄像机接收到的图像并从图像中提取所需的信息的视觉处理应用程序。具体地，机器视觉单元配置为捕获和处理预定义区域中的两个选定参考点的图像，然后操纵并将一组目标钻孔数据映射到步进电动机45和伺服电动机41、43的电动机控制器，用于移动钻孔装置20以瞄准预定钻孔点，这将在下文中描述。各种类型的机器视觉单元在现有技术中可用，并且可以在本发明中采用。

系统100还包括用于在两个参考点的位置处施加标记的标记单元。标记单元定位成与钻孔装置20相邻并且包括墨块60。标记单元安装在Z轴线性致动器46上，使得墨块60上升到在天花板表面上施加标记的活动位置并下降到标记单元不会干扰钻孔装置20进行钻孔作业的空闲位置。

为了便于在预定义区域中定位两个参考点，在本发明的该实施方式中包括光束跟踪器单元。光束跟踪器单元可以包括多个十字准线激光指示器(未示出)。每个参考点具有两个十字准线激光指示器，用于限定参考点所在的参考区域。借助由两个十字准线激光指示器形成的参考区域，操作员可以轻松地将机器视觉单元的摄像机分配到适当的位置，瞄准预定义区域中的参考点，以允许通过摄像机捕获参考点的图像并通过机器视觉单元进行图像处理。

如上所述，选择预定义区域10中的两个参考点以控制天花板表面的预定义区域中的钻孔作业。在这方面，RTS与基于BIM的建筑物模型进行通信，以获得用于各种机械、电气和管道(MEP)服务的与建筑物以及建筑物表面上的预定钻孔点有关的所有信息。因此，RTS使用本领域中已知的方法(例如，在本申请人的未决香港申请号18115182.6中讨论的方法)，来获得建筑物上的实际位置和尺寸数据。RTS可以首先在基于BIM的建筑物模型中选择两个控制点，并且控制点的位置落在实际的预定义区域内。在基于BIM的建筑物模型中确定了两个控制点后，RTS将照射光束以在两个参考点上入射到天花板表面的实际预定义区域，该两个参考点对应于基于BIM的建筑物模型中选择的两个控制点。标记单元的墨块60可以上升以将相应的标记施加在预定义区域的这些参考点上。然后，机器视觉单元捕获并处理两个标记的参考点，以识别并确定其准确位置。特别地，两个参考点的位置信息将从两个参考点的捕获图像中提取，并由机器视觉单元进行验证。利用所提取的位置信息，可以生成关于预定义区域中的所有预定钻孔点的一组钻孔数据。所生成的一组钻孔数据将传输到计算机和控制装置，从而传输到电动机控制器，以进行正在进行的钻孔操作。

现在再次参考图2，示出了邻接钻孔装置20并且以以下方式安装的集尘器70：该集尘器70收集在钻孔天花板表面的过程中产生的有害砂浆粉尘。根据本发明的该实施方式的集尘器70是直流电池操作的真空单元。

上述操作单元和部件处于可以放置在控制柜50中的控制装置(未示出)的控制下。在图1至3所示的实施方式中，控制装置还包括直流电池单元逆变器系统，用于向系统的直流操作单元和组件提供直流电源。例如，可以对控制装置进行编程以基于图3所示的控制电路来实现系统100，以在预定的钻孔点处对天花板表面进行钻孔。控制电路示出了系统100的操作所基于的操作原理。计算机连接到控制装置，通过该控制装置可使用接口来允许操作员操纵系统100。

如图3清楚所示，控制装置与X、Y和Z轴线性致动器42、44、46的电动机控制器可操作地联接，从而控制线性致动器42、44、46在图1所示的三个方向上移动钻孔装置20。钻孔装置20首先基于与该钻孔点相关的钻孔数据在X-Y平面中移动到与预定钻孔点精确重合的位置。一旦确定了钻头与钻孔点的重合，钻孔装置20就继续上升并移动，直到钻头到达钻孔点，然后致动钻头以在钻孔点的准确位置对天花板表面进行钻孔。如上所述，负载压力传感器80将监视钻头的钻孔深度，使得钻孔深度不大于预定的最大钻孔阈值。在钻孔操作结束之后，钻孔装置20将下降至其空闲位置，并准备在天花板表面的相同预定义区域上钻孔另一点。

在使用中，钻孔系统100由操作员借助底盘30沿着地面移动到地面的钻孔区域，该钻孔区域对应于用于钻孔操作的天花板表面的预定义区域。同时，与所需的基于BIM的建筑物模型进行通信的RTS准备访问和检索关于在预定义区域中设计的钻孔点的信息和数据。然后，负载压力传感器80接通，并且X、Y和Z轴线性致动器42、44和46分别复位到其在X、Y和Z轴方向上的零位置。

在线性致动器42、44和46归零之后，使用RTS在预定义区域中确定两个参考点。然后，使用两个十字准线激光指示器围绕每个参考点，以便于操作员定位参考点，并将机器视觉单元的CCD摄像机对准参考点分配到位。CCD摄像机开始捕获参考点的图像。

下一步是在控制装置的控制下校准CCD摄像机。机器视觉单元查看两个参考点的已捕获图像，并提取关于参考点的实际位置信息。提取的信息用于校准每个CCD摄像机。在开始钻孔操作之前，还必须例如通过更新钻孔装置的位置坐标来手动进行CCD摄像机和钻孔装置20之间的位置关系的校准。

校准完成后，机器视觉单元处理并分析预定区域的图像，以提取和验证关于预定钻孔点的信息，以生成包括钻孔点位置和钻孔的钻孔深度的一组钻孔数据。然后，基于产生的钻孔数据，控制装置控制伺服电动机41、43，该伺服电动机依次驱动X和Y轴线性致动器42、44在X-Y平面内的线性运动，使得钻孔装置20移动到钻孔装置20的钻头与天花板表面的预定钻孔点重合的位置。一旦确认重合，就控制步进电动机45以驱动Z轴线性致动器46在竖直方向上的线性运动，从而使钻孔装置20上升到天花板表面的高度并对预定的钻孔点进行钻孔。钻孔过程停止，直到未从负载压力传感器接收到信号为止。然后，钻孔装置20下降到其空闲位置，并准备进行另一钻孔操作。

本发明的系统100还提供了手动模式，在该手动模式下，操作员可以手动实施系统100以对建筑物表面进行钻孔。

因此，本发明提供了一种系统，该系统用于有效和准确地对表面(例如架空墙壁和/或天花板)上的预定钻孔点进行确定和钻孔。该系统基于BIM技术、RTS和机器视觉技术的组合使用而构建，并且可确保操作员安全地进行钻孔工作、减少劳动强度并且在地面上容易地进行。

尽管本文描述的实施方式旨在作为示例性标记系统，但是本领域技术人员将理解，本发明不限于所示出的实施方式。在不脱离本发明的范围的情况下，本领域技术人员将通过本领域技术人员的常识来设想许多其它可能的变化和修改，但是，这样的变化和修改应落入本发明的范围。

Claims (15)

1.一种用于在建筑物的预定义区域中的表面上对预定钻孔点进行确定和钻孔的系统，包括：

基于BIM的建筑物模型，其使用建筑物信息建模（BIM）创建并与建筑物相对应，其中，与建筑物表面的预定钻孔点有关的信息被识别并记录在基于BIM的建筑物模型中；

定位单元，其与基于BIM的建筑物模型通信或加载有基于BIM的建筑物模型，其中，在基于BIM的建筑物模型中选择两个或更多个控制点，并且定位单元配置为确定在建筑物的预定义区域中的两个或更多个参考点，两个或更多个参考点对应于基于BIM的建筑物模型中的两个或更多个控制点，

钻孔装置，其可移动到建筑物的表面以对预定的钻孔点处的表面进行钻孔，

机器视觉单元，其配置为捕获包括所述两个或更多个参考点的预定义区域的图像,处理所述图像以提取所述参考点的实际位置信息，基于所述实际位置信息进行位置校准，从而确定在所述预定义区域内的所有预定钻孔点的位置并生成与预定钻孔点相关联的一组钻孔数据；

控制装置，其与机器视觉单元联接以接收所生成的一组钻孔数据，并且编程为控制钻孔装置的钻头与预定钻孔点重合以及驱动钻孔装置朝着预定钻孔点的建筑物表面移动并使用所述一组钻孔数据对预定钻孔点的建筑物表面进行钻孔。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括：

底盘，以及

用于移动钻孔装置并布置在底盘上的移动设备，其中，所述移动设备包括：用于沿X轴方向移动钻孔装置的X轴移动装置；用于沿垂直于X轴的Y轴方向移动钻孔装置的Y轴移动装置，以及用于沿Z轴方向移动钻孔装置的Z轴移动装置，

其中，X轴和Y轴限定平行于预定义区域的X-Y平面，并且Z轴垂直于X-Y平面。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，X轴移动装置包括定位在底盘的两个相对侧的两个X轴线性致动器，以驱动钻孔装置在所述X轴方向上的线性运动；Y轴移动装置包括一个Y轴线性致动器，以驱动钻孔装置在Y轴方向上的线性运动；并且Z轴移动装置包括一个Z轴线性致动器，以驱动钻孔装置在Z轴方向上的线性运动。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，移动设备与控制装置可操作地联接，控制装置配置为控制安装在X轴线性致动器之一上的X轴电动机以操纵钻头装置移动、控制安装在Y轴线性致动器上的Y轴电动机以操纵钻孔装置移动，以及控制安装在Z轴线性致动器上的Z轴电动机以操纵钻孔装置移动。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，X轴和Y轴电动机选自伺服电动机，Z轴电动机选自步进电动机。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的系统，还包括标记单元，用于在建筑物的预定义区域中的每个参考点处施加标记。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，标记单元与控制装置可操作地联接，从而控制为与待标记的参考点重合并向表面移动，以在参考点施加标记。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，标记单元设置在移动设备上，使得标记单元能够通过移动设备移动。

9.根据权利要求7所述的系统，其中，标记单元选自墨块或书写工具。

10.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，还包括用于引导的光束跟踪器单元，以将参考点定位在预定义区域中。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，光束跟踪器单元包括多个十字准线激光指示器，其中，每个参考点分配有两个十字准线激光指示器，两个十字准线激光指示器限定了参考点所在的参考区域。

12.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其特征在于，系统还包括集尘器，集尘器布置成收集在对建筑表面进行钻孔的过程中产生的砂浆粉尘。

13.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，定位单元设置为与基于BIM的建筑物模型通信的机器人全站仪RTS，其中，RTS照射光束以入射到预定义区域中的参考点上。

14.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，机器视觉单元包括：光源，其照射预定义区域；至少一个摄像机，用于捕获预定义区域的图像；以及处理器，其编程为从捕获的图像中提取并验证参考点的信息，以确定预定的钻孔点并生成与预定的钻孔点相关联的钻孔数据。

15.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，包括负载压力传感器，以传送指示在预定钻孔点处钻孔深度最大阈值的负载信号。

Images