CN112207944A - 建筑3d打印机器人设备及其控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种建筑3D打印机器人设备及控制方法和系统，该设备包括：机架，顶部具有工作台；置于所述工作台的机械臂，所述机械臂的末端的位置可移动调节；装设于所述机械臂的末端、供实现3D打印的打印头；装设于所述机架底部的移动机构；置于所述机架上的控制模块，与所述机械臂、所述打印头以及所述移动机构控制连接，依据所需完成的3D打印作业任务控制所述移动机构运动并带动所述机架移动至3D打印作业位置处，还控制所述机械臂沿打印路径移动其末端，使得所述机械臂带动所述打印头沿打印路径运动并完成3D打印作业。本发明在机架上设置机械臂和打印头，集成化高，体积小巧，无需安拆，极大程度的减少人工劳动，节约人工成本。

Description

建筑3D打印机器人设备及其控制方法和系统

技术领域

本发明涉及建筑施工工程领域，特指一种建筑3D打印机器人设备及其控制方法和系统。

背景技术

目前在建筑施工时，多依赖于传统的建筑模式，在城市化进程中，建筑数量多，种类多，而传统建筑多以钢筋加混凝土的形式来完成，其形式单一，建造费用较高。

为提高建设效率，增加施工方法多样性，减少人工的使用，同时能够带来一定的节能、环保效果，伴随3D打印技术的快速发展，将传统的3D打印技术应用在建筑领域，能够实现提高施工效率，减少人工使用。现有的3D打印设备体积庞大，需要设置三维方向可调节的架体来安装3D打印机，而该三维调节的架体需要覆盖所需打印构件的范围，从而导致体积较为庞大，施工繁琐，安拆工序繁多，人工成本仍然较高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种建筑3D打印机器人设备及其控制方法和系统，解决现有的3D打印设备体积庞大带来的施工繁琐、安拆工序繁多以及人工成本高的问题。

实现上述目的的技术方案是：

本发明提供了一种建筑3D打印机器人设备，包括：

机架，顶部具有工作台；

置于所述工作台的机械臂，所述机械臂的末端的位置可移动调节；

装设于所述机械臂的末端、供实现3D打印的打印头；

装设于所述机架底部的移动机构，通过所述移动机构使得所述机架可移动调节；以及

置于所述机架上的控制模块，所述控制模块与所述机械臂、所述打印头以及所述移动机构控制连接，所述控制模块依据所需完成的3D打印作业任务控制所述移动机构运动并带动所述机架移动至3D打印作业位置处，所述控制模块还控制所述机械臂沿打印路径移动其末端，使得所述机械臂带动所述打印头沿打印路径运动并完成3D打印作业。

本发明的建筑3D打印机器人设备，机架具有移动功能，通过移动机构带动该机架进行运动，可运动至对应的打印作业位置处，灵活性好。机架上设置机械臂和打印头，集成化高，体积小巧，无需安拆，极大程度的减少人工劳动，节约人工成本。该建筑3D打印机器人设备通过控制模块控制移动机构运动，控制机械臂运动能够实现自动打印，自动化程度高，安全性高。

本发明建筑3D打印机器人设备的进一步改进在于，所述移动机构包括安装于所述机架前侧的一对前轮、与每一前轮驱动连接的驱动总成、安装于所述机架后侧的安装座、可转动的安装于所述安装座的摇摆桥以及安装于所述摇摆桥两侧的后轮；

所述摇摆桥沿横向设置，且所述摇摆桥的两侧可绕其转动连接处上下浮动，从而带着对应的后轮上下浮动以适应不平整的作业面。

本发明建筑3D打印机器人设备的进一步改进在于，还包括装设于所述机架对角处的激光传感器，所述激光传感器用于测量所述机架与3D打印作业现场设置的标定板间的距离以得到测距信息；

所述激光传感器与所述控制模块连接，并将所述测距信息发送给所述控制模块，所述控制模块根据所述测距信息计算得出所述机架的位置信息，并根据得到的位置信息结合所需完成的3D打印作业任务规划出打印路径。

本发明建筑3D打印机器人设备的进一步改进在于，所述激光传感器观测所述标定板在激光坐标系下的位置并得到对应的坐标信息；

所述控制模块接收所述标定板的坐标信息并将所述标定板的坐标信息转换到全局坐标系下得到转换坐标

其中的i取值为1至n；

所述控制模块根据三边定位法计算得出所述机架在全局坐标系下的位姿

^WP_R＝(A^TA)^-1A^Tb

其中，

本发明建筑3D打印机器人设备的进一步改进在于，所述机架的底部设有向外凸伸的防撞边板，所述防撞边板上装设有压力传感器，所述压力传感器与所述控制模块连接，在所述防撞边板发生碰撞时，所述压力传感器产生碰撞信号发送给所述控制模块，以使得所述控制模块控制所述移动机构停止所述机架的运动。

本发明还提供了一种建筑3D打印机器人设备的控制方法，包括如下步骤：

获取3D打印作业任务，依据所获取的3D打印作业任务规划出行走路径和打印路径；

提供如权利要求1所述的建筑3D打印机器人设备，将所述行走路径和所述打印路径发送给所述控制模块，并通过所述控制模块控制所述建筑3D打印机器人设备沿行走路径运动至3D打印作业位置处，控制所述机械臂沿打印路径移动并带动所述打印头进行3D打印作业。

本发明的控制方法的进一步改进在于，还包括：

获取所述机架的位置信息，基于所述机架的位置信息结合所述3D打印作业任务规划得出打印路径；

获取所述机架周围的障碍物信息，基于所述障碍物信息和3D打印作业任务规划得出行走路径。

本发明的控制方法的进一步改进在于，所述机架的底部装设有支撑高度可调节的支撑机构；

待所述建筑3D打印机器人设备运动至3D打印作业位置处时，控制所述支撑机构调节支撑高度以将所述机架撑起，并通过调节所述支撑机构的支撑高度使得所述工作台处于水平状。

本发明又提供了一种建筑3D打印机器人设备的控制系统，所述建筑3D打印机器人设备包括机架、置于所述机架上的机械臂、装设于所述机械臂的末端的打印头以及装设于所述机架底部的移动机构；

所述控制系统包括：

任务模块，用于接收3D打印作业任务；

与所述任务模块连接的规划模块，所述规划模块接收3D打印作业任务并规划得出行走路径和打印路径；以及

与所述规划模块连接的控制模块，所述控制模块与所述机械臂、所述打印头以及所述移动机构控制连接，所述控制模块接收所述行走路径和所述打印路径，并控制所述移动机构沿所述行走路径运动并带动所述机架移动至3D打印作业位置处，控制所述机械臂沿打印路径移动其末端，使得所述机械臂带动所述打印头沿打印路径运动并完成3D打印作业。

本发明的控制系统的进一步改进在于，还包括与所述规划模块连接的采集模块；

所述采集模块用于获取所述机架的位置信息和所述机架周围的障碍物信息；

所述规划模块接收所述机架的位置信息和所述机架周围的障碍物信息，基于所述机架的位置信息结合所述3D打印作业任务规划得出打印路径；基于所述障碍物信息和3D打印作业任务规划得出行走路径。

附图说明

图1为本发明建筑3D打印机器人设备的结构示意图。

图2为本发明建筑3D打印机器人设备的仰视图。

图3为本发明建筑3D打印机器人设备中移动机构和支撑机构处的结构示意图。

图4为本发明建筑3D打印机器人设备的移动机构中的前轮的结构示意图。

图5为本发明建筑3D打印机器人设备的移动机构中的后轮的安装结构示意图。

图6为本发明建筑3D打印机器人设备中支撑机构的结构示意图。

图7为本发明建筑3D打印机器人设备中打印头的结构示意图。

图8为本发明建筑3D打印机器人中四个支撑机构构成的斜平面的示意图。

图9为图8所示斜面在G1所在水平面的投影示意图。

图10至图13为倾角传感器在X方向和Y方向测得倾角与图8和图9所示斜面构成的三角关系示意图。

图14为本发明中多个标定板的布设结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

参阅图1，本发明提供了一种建筑3D打印机器人设备及其控制方法和系统，将3D打印技术结合机器人智能化的特点应用于建筑施工领域，用于解决建筑施工效率低、人工成本高的问题。本发明的建筑3D打印机器人设备通过设置的移动机构实现自行走功能，该移动机构中设置机架后侧的两个后轮安装在一个可转动调节的摇摆桥上，通过摇摆桥的转动调节使得后侧的两个后轮能够上下浮动调节，以适应复杂的作业面工况，在作业面不平整时，该两个后轮能够通过上下浮动调节可实现顺利通过该不平整区域。本发明的建筑3D打印机器人设备通过在对角处设置激光传感器，一方面能够得到机器人自身的站点位姿，另一方面还能够得到周围障碍物信息，从而便于行走路径和打印路径的规划。激光传感器的扫描范围在270°，对角处安装的激光传感器能够实现对机器人周围360°范围的扫描。本发明的建筑3D打印机器人设备的机架底部设置有防撞边板，该防撞边板能够先于机架碰撞到障碍物，可有效的保护机架，在防撞边板上安装有压力传感器，能够检测是否有碰撞，在发生碰撞时可控制机器人急停，保证建筑3D打印机器人设备的安全。下面结合附图对本发明建筑3D打印机器人设备及其控制方法和系统进行说明。

参阅图1，显示了本发明建筑3D打印机器人设备的结构示意图。参阅图2，显示了本发明建筑3D打印机器人设备的仰视图。下面结合图1和图2，对本发明建筑3D打印机器人设备的结构进行说明。

如图1和图2所示，本发明的建筑3D打印机器人设备20包括机架21、机械臂22、打印头23、移动机构24以及控制模块，机架21的顶部具有工作台211，该工作台211的表面为平整面，用于放置机械臂22；机械臂22置于工作台211上，该机械臂22的末端的位置可移动调节，机械臂22为可多轴转动调节的结构，通过多轴转动调节实现末端位置的三维方向的调节，也即水平面的横、纵方向和竖直方向。打印头23装设在机械臂22的末端，该打印头23用于实现3D打印。移动机构24装设在机架21的底部，通过移动机构24使得机架21可移动调节，利用移动机构24为机架21提供自由移动的功能；控制模块置于机架21上，该控制模块与机械臂22、打印头23和移动机构24控制连接，控制模块可依据所需完成的3D打印作业任务控制移动机构24运动并带动机架移动至3D打印作业位置处，控制模块还可控制机械臂22沿打印路径移动其末端，使得机械臂带动打印头23沿打印路径运动并完成3D打印作业。

本发明的建筑3D打印机器人设备通过移动机构24可实现自由行走功能，能够将机架移动到3D打印作业位置处，机械臂22的末端可移动调节，通过移动调节机械臂22的末端的位置可实现移动打印头23的位置，控制打印头23沿打印路径移动并同步进行3D打印作业，即可完成建筑结构的打印。

在本发明的一种具体实施方式中，如图2至图5所示，移动机构24包括安装于机架21前侧的一对前轮241、与每一前轮241驱动连接的驱动总成242、安装于机架21后侧的安装座243、可转动的安装于安装座243的摇摆桥244以及安装于摇摆桥244两侧的后轮245，其中的前轮241有两个，后轮245有两个，通过四个轮子为机架21带来移动功能。摇摆桥244沿横向设置，该摇摆桥244的两侧可绕其转动连接处上下浮动，从而带着对应的后轮245上下浮动以适应不平整的作业面。

具体地，摇摆桥244的中部通过一转轴可转动的安装在安装座243上，摇摆桥244的中部可绕着转轴自由转动。在两个后轮245置于平整的作业面上时，该摇摆桥244处于水平状，当作业面不平整时，后轮245可随着作业面的高低起伏变化而上下浮动，如此可使得移动机构24能够适应各种复杂的作业面工况，提高了建筑3D打印机器人设备的适应性。

较佳地，前轮241和后轮245均采用麦克纳姆轮。

进一步地，如图4所示，前轮241的驱动总成245包括第一电机2421和第一减速机2422，第一电机2421与第一减速机2422连接，该第一减速机2422安装于第一固定座246上，第一减速机2422与前轮241驱动连接，第一电机2421通过第一减速机2422驱动前轮241转动，进而带动机架21运动。结合图2和图3所示，前轮241通过第一固定座246安装于机架21上。

再进一步地，如图5所示，后轮245通过第二电机2481和第二减速机2482驱动，第二电机2481与第二减速机2482连接，该第二减速机2482与后轮245驱动连接，第二电机2481通过第二减速机2482驱动后轮245转动。第二减速机2482安装在第二固定座247上，后轮245通过第二固定座247安装固定在摇摆桥244对应的侧部。

两个前轮241和两个后轮245均通过独立的电机和减速机进行驱动，如此通过调节各电机和减速机的转速和转向可实现机架21的前进、后退和转向。

在本发明的一种具体实施方式中，如图1所示，本发明的建筑3D打印机器人设备还包括装设于机架21对角处的激光传感器261，该激光传感器261用于测量机架21与3D打印作业现场设置的标定板间的距离以得到测距信息；该激光传感器261与控制模块连接，并将测距信息发送给控制模块，控制模块根据该测距信息计算得出机架21的位置信息，并根据得到的位置信息结合所需完成的3D打印作业任务规划出打印路径。

较佳地，机架21的外轮廓为方形，激光传感器261安装在机架21的对角处，两个激光传感器261位于同一平面内，呈180°安装，每个激光传感器261的扫描范围有270°，这样180°安装的两个激光传感器261能够满足机架21的周围360°范围扫描。

进一步地，机架21上还安装有惯性传感器(IMU传感器，Inertial measurementunit)，该惯性传感器能够检测机架的位姿角，该位姿角包括三轴姿态角。该惯性传感器与控制模块连接，用于将实时获得的位姿角发送给控制模块，控制模块结合位姿角和两个激光传感器发来的测距信息可以计算得出机架的位置信息。

具体地，如图14所示，在3D打印作业现场设置多个标定板31，每一标定板31的坐标信息为已知值，这些标定板31的坐标信息事先输入给控制模块，多个标定板31的坐标信息构建了标定板地图，该标定板地图输入给控制模块。控制模块在计算机架21的位置信息时，通过激光传感器获取距各个标定板的距离得到测距信息，反复获取各个标定板的信息，通过迭代建立各个标定板的坐标系，进而结合惯性传感器检测的位姿角，计算得出机架21的位置信息，也即得到了机架21的坐标值。

进一步的，在3D打印作业现场还设置了与标定板31结构相同的两个约束板32，该两个约束板32的坐标信息也为已知值，且该两个约束板32也位于标定板地图中，两个标定板32形成坐标系X_WO_WY_W。该两个约束板32用于定义原点，标定板31用于定位3D打印作业现场的坐标系(也即标定板地图坐标系)。控制模块识别出两个约束板32后，能够确定标定板地图的坐标系和所有标定板在全局坐标系下的位姿

激光传感器在3D打印机器人设备的坐标系(X_RO_RY_R)下安装位姿为

其中的

是

的位姿角，

是

的位姿角。通过两个激光传感器分别观测约束板32在激光坐标系(X_L1O_L1Y_L1,X_L2O_L2Y_L2)下的位置

然后将约束板的位姿由激光坐标系下转换到3D打印机器人设备的坐标系下，转换如下：

计算当前3D打印机器人设备的坐标系的约束板与标定板地图中对应的标定板的距离和角度之差，当距离和角度误差小于预设阈值时，标定板匹配成功。通过上述约束板的坐标转换出所有的标定板的坐标，并将所有的标定板也匹配成功，进而匹配成功的约束板及标定板在全局坐标系下的位置为

其中的i取值为1至n，最后根据三边定位法计算出机器人本身在全局坐标系下的位姿

^WP_R＝(A^TA)^-1A^Tb

其中，

。上式中为描述方便而定义

当建筑3D打印机器人准备打印建筑物时，通过将安装在机器人本体上的两个定位激光扫描到的约束板与标定板地图进行匹配计算出机器人本体的当前位置。最后机器人根据已规划的路径运动到指定位置进行打印工作。再进一步地，激光传感器261还用于测量机架21与周围的障碍物间的距离以得到障碍物信息，控制模块接收到障碍物信息并根据所需完成的3D打印作业任务规划出机架的行走路径。较佳地，激光传感器261能够检测到较远范围内的障碍物，控制模块得到障碍物信息后，设计机架的行走路径以避开障碍物，并确保行走路径最短，在机架能够沿直线移动至作业位置点时，选择该直线作为行走路径，在机架需要避开障碍物而沿曲线移动至作业位置点时，选择长度最短的曲线作为行走路径。较佳地，控制模块从3D打印作业任务中获取下一目标位置点，连接机架的当前位置与下一目标位置点即为行走路径，依据行走路径控制移动机构进行移动即可。另一较佳实施方式中，每个点位推荐站车位置，可以根据手动增加站车位置来避开障碍物。

在一种实施方式中，如图1所示，机架21上还安装有超声波传感器262，该超声波传感器262用于检测较近范围内的障碍物形成另一障碍物信息，该超声波传感器262与控制模块连接，将形成的另一障碍物信息发送给控制模块，控制模块根据该另一障碍物信息规划机架的新的行走路径。

在本发明的一种具体实施方式中，如图1所示，机架21的底部设有向外凸伸的防撞边板214，该防撞边板214上装设有压力传感器，该压力传感器与控制模块连接，在防撞边板214发生碰撞时，压力传感器产生碰撞信号发送给控制模块，以使得控制模块控制移动机构24停止机架21的运动。

防撞边板214凸伸出机架21的四周，对机架21起到保护作用，在遇到障碍物时，该防撞边板214能够先与障碍物相接触，防撞边板214采用结构强度较大的材料制作而成。防撞边板214与障碍物相撞后，压力传感器检测到压力形成碰撞信号，发送给控制模块，控制模块接收到碰撞信号后紧急控制机架停止移动，实现遇到碰撞立即停下的功能，保证建筑3D打印机器人设备的安全。较佳地，防撞边板214的底部安装有毛刷，毛刷的刷毛能够接触地面，在机架21移动行走的过程中，毛刷能够对地面进行清扫，以便于机架21的顺利移动。

在本发明的一种具体实施方式中，如图2和图3所示，本发明的建筑3D打印机器人设备20还包括支撑机构27，该支撑机构27装设在机架21的底部，支撑机构27的支撑高度可调节，通过调节支撑机构27的支撑高度以将机架撑起并使得工作台211呈水平状设置。

该支撑机构27至少设有3个，设于三角形的三个角部处，利用3个支撑机构27的支撑高度的调节，能够将工作台211调节为水平状，支撑机构27的支撑高度调节使得机架21通过支撑机构27支撑于作业面上，这样移动机构24就处于悬空状态，而不与作业面相接触，如此支撑机构27能够保证工作台211处于稳定状态，使得机械臂可以在平稳的状态下进行打印作业。

进一步地，如图1所示，机架21的工作台211上安装有水平传感器，通过水平传感器检测工作台211的水平情况。该水平传感器与控制模块连接，将检测得到的工作台211的水平情况发送给控制模块，控制模块通过该水平情况控制调节支撑机构27的支撑高度，以使得工作台211处于水平。

再进一步地，结合图6所示，支撑机构27包括安装于机架21上的升降机271，该升降机271可伸缩调节从而实现调节支撑高度，该升降机271的端部通过球铰272安装有支撑座273，通过球铰272的转动调节使得支撑座273可稳定的支撑于作业面上。球铰272可自由转动调节方向，通过转动调节使得支撑座273能够适应不同的平面状态，使得支撑座273可以牢牢的支撑在作业面上。

较佳地，支撑机构27还包括支撑电机274、支撑减速机275和联轴器276，支撑电机274与支撑减速机275连接，该支撑减速机275通过联轴器276与升降机271驱动连接，支撑电机274通过支撑减速机275驱动升降机271进行伸缩调节。支撑减速机275通过一支撑安装板安装在机架21上，升降机271通过升降机安装板2711安装在机架21上。该升降机271较佳为丝杆升降机，支撑电机274通过支撑减速机275驱动丝杠升降机旋转，进而使得该丝杠升降机的丝杠向外伸出或者向内缩回，以实现支撑高度的调节。该升降机271升竖直状的安装在机架21上。

控制模块与支撑电机274控制连接，通过控制支撑电机274的运行来控制对应的支撑机构27的支撑高度。

较佳地，支撑机构27设有四个，设于机架21底部的前侧、后侧、左侧和右侧，利用四个支撑机构27支撑机架21，提高机架21的平稳度。

在本发明的一种具体实施方式中，如图1和图7所示，打印头23包括安装于机械臂22的末端的打印桶231、与该打印桶231连通的进料管以及设于打印桶231内的搅拌器；该打印桶231的底部设有出料口2311，打印桶231的上部设有进料口2312，该进料口2312与进料管连通，打印桶231内形成有供盛放打印材料的容置空间；进料管与打印材料存储设备连通，通过送料泵将打印材料输送至打印桶231内。搅拌器与一驱动电机232连接，通过驱动电机232驱动搅拌器旋转进而对打印桶231内的打印材料进行搅拌，并使得打印材料从出料口2311处输出以实现3D打印。

控制模块与该驱动电机232驱动连接，通过控制该驱动电机232的运行参数来实现控制出料口2311处的出料速度和出料量，从而实现控制3D打印的质量。

较佳地，打印桶231的顶部设有打印头安装座233，打印头23通过该打印头安装座233安装在机械臂22的末端处。

进一步地，如图1所示，机械臂22为六轴机械臂。

在本发明的一种具体实施方式中，机械臂22的末端还安装有摄像头28，通过该摄像头28拍摄打印头23的作业情况形成视频信息。较佳地，摄像头28安装在打印头23的打印头安装座233上，该摄像头28的头部朝向打印头23的出料口2311处设置，以实现实时记录打印头23的打印情况。又佳地，该摄像头28与控制模块连接，将视频信息发送给控制模块，实现了监控出料情况，反馈打印状态信息。

如图1和图2所示，机架21包括框架212和安装于框架212外侧的防护板213，框架212采用方管焊接形成，框架212呈方框结构，具有较高的稳定性，防护板213包覆于框架212的外侧，该防护板213形成密封外壳，使得设备具有防尘防水功能。框架212内设有储物空间，该储物空间用于放置供电装置、打印材料存储设备等部件，供电装置可以为各电机提供电源。

在机架21的顶部设有控制柜25，该控制柜25内设有控制模块。控制柜上还设有控制面板251，该控制面板251上设有操控按钮，各操控按钮用于实现手动操控建筑3D打印机器人设备，操控按钮与控制模块无线连接，操控按钮可形成对应的操控指令并无线发送给控制模块。具体地，控制面板251上设有移动机构的第一电机、第二电机的操控按钮，还设有支撑机构的支撑电机的操控按钮，还设有机械臂的操控按钮和打印头电机的操控按钮。在控制面板251上还设有急停按钮，该急停按钮用于在紧急情况下人为制动建筑3D打印机器人设备，急停按钮用于控制移动机构停止运动，从而保证该机器人设备的安全。较佳地，控制面板251可拆卸的安装于控制柜25上，该控制面板可从控制柜25上取下并远距离手持使用。

进一步地，建筑3D打印机器人还包括上位机，该上位机可集成在机架上，还可以为额外配置的远程电脑或PAD。上位机与控制模块通过无线信号连接，该上位机上安装有上位机软件，其能够为控制模块提供各种控制指令，还可为控制模块提供标定板地图。。

如图1所示，与打印头23连接的进料管采用高压软管，具有一定的伸缩调节功能和弯曲调节功能可确保为打印头23进行供料。

控制模块内设有两种打印模式，一种是逐个打印模式，另一种是边走边打印模式，该两种模式在建筑3D打印机器人设备运行前进行设定，具体地，在上位机内设置打印模式，上位机将打印模式发送给控制模块执行。

在逐个打印模式下，控制模块依据3D打印作业任务控制建筑3D打印机器人设备移动至第一位置点，而后放支撑机构并调平工作台，启动打印程序，完成后收起支撑机构，将建筑3D打印机器人设备移动至下一位置点，继续放支撑机构并调平工作台，启动打印程序，完成后收起支撑机构，判断是否完成打印作业任务，若未完成则重复移动再下一位置进行打印。具体地，控制模块的控制流程为：控制模块通过控制移动机构24将建筑3D打印机器人导航至第一位置点；接着放支撑机构27，自动调平工作台；确定打印工件坐标；调用第一构件程序；供料及预出料控制；启动打印程序；监控打印头速度，若发现故障则暂停打印，待故障排除后在启动打印并重新监控打印头速度。若没有故障则继续正常打印；在当前构件打印完成后，机械臂22回到HOME点；控制模块控制支撑机构收起，接着判断是否完成全部构件的打印，若完成了全部构件的打印，控制模块控制机器人退场。若没有，则控制模块导航至下一位置点，放支撑机构并调平工作台，确定打印工件坐标、调用下一打印程序，供料及预出料，启动打印程序并监控打印头速度，接下来的流程与打印第一构件时的流程相同。在监控打印头速度时，控制模块还具有断点打印功能，在停止打印时记录断点，调整排除问题后，生成断点打印程序，模拟并试运行打印头之后调用该断点打印程序，进行断点打印预出料，在停止的原位在启动打印。

控制模块在控制放出支撑机构27并调平工作台的控制目标为：四个支撑机构承受总体压力的80％，车身相对于水平面的倾角偏差在1°以内。四个支撑机构27设于机架21的前、后、左、右侧，在工作台的中部装设一倾角传感器，利用倾角传感器检测工作台相对于水平面的倾角偏差。

建筑3D打印机器人设备在移动之前，四个支撑机构27必须收置到最高位，以避免其与地面发生摩擦，控制模块设有逻辑锁功能，机器人移动时，支撑机构27禁止升降调节；支撑机构升降调节时，机器人禁止移动，以确保机器人的安全性。为实现支撑机构的升降调节，在每个支撑机构的升降机的对应位置安装有行程开关，一个行程开关表示上限位置，另一个行程开关表示下限位置。在支撑机构的底部安装有压力传感器，用以检测该支撑机构与地面的接触压力。四个支撑机构分别利用四个功率相同、运动参数相同的伺服驱动器进行驱动控制，四个支撑机构的运动行程可以实时读取，还可以分别单独控制。

控制模块在机器人移动到位后，控制支撑机构下降调节，在下降调节之前，先确保各支撑机构均位于上限位置处，若有支撑机构未在上限位置，先将其调节到上限位置，以实现最大可能的让四个支撑机构保持同步调节。控制模块控制四个支撑机构按照相同的速度同步下降，当每个支撑机构的压力传感器检测到地面压力时即停止运动，在四个支撑机构检测的压力之和大于等于机器人总重量的80％时，控制模块开始调平工作，若未达到机器人总重量的80％，可继续下降支撑机构。调平时，将四个支撑机构相对于水平面调整到同一高度，必须先测算出哪条支撑机构相对于水平面的行程最大，然后相应调大其他支撑机构的行程，以保证机器人相对于水平面的误差在允许范围内。如图8所示，将机架21的四个角部连成一个斜面E1G1F1H1，假设G1为最低点，则斜面E1G1F1H1在G1所在水平面的投影如图9所示，设倾角传感器在X方向的倾角为θ1，在Y轴方向测得的倾角为θ2，则有图10至图13的位置关系，根据图10至图13的位置关系有如下计算关系：C1C2＝C1G1*sinθ2；B1B2＝B1G1*sinθ1；A1A3＝A1B1*sinθ2；D1D3＝D1C1*sinθ1；A1A2＝A1A3+B1B2；D1D2＝D1D3+C1C2。通过计算，找出支撑机构行程A1A2、B1B2、C1C2、D1D2中行程最大值，比较其他三个支撑机构与最大行程的行程差值，然后做出相应的调整，以使得机器人相对于水平面的倾斜偏差达到调平目标。

在边走边打印模式下，控制模块控制移动机构导航至起始位置点；确定打印工件坐标；调用打印程序；供料及预出料；启动正式打印程序，执行首层打印程序，实时监控行车状态，实时监控打印头定位并实时调整，打印头速度实时监控，在遇到故障时暂停，排除故障后原位启动。正常打印时若当前层打印完成，判断是否还有后续打印作业，若有则导航至起始位置，校准车位而后执行下一层打印程序，全部打印完成后，机器人退场。在暂定打印时，控制模块还可以进行断点打印，具体流程为：停止并记录断点，调整排除问题，生成断点打印程序，模拟断点打印程序，断点打印程序调用，预出料而后原位在启动打印。

上位机还用于创建3D打印任务，并将3D打印任务输入给控制模块。该上位机在创建3D打印任务的流程为：选择创建新任务；设定标定板位置；加载构件轮廓文件；显示构件轮廓以及导航地图；显示推荐停车位置，此时可添加辅助停车位置；调整停车位置的属性，坐标与角度；手动连接行车路径，检查是否有错误，没有错误后配置完成，点击构件路径设置打印任务，该新建的打印任务发送给控制模块，由控制模块执行打印任务。上位机将建好的任务加入到任务列表，在任务列表中显示有项目名称、创建人、创建日期、任务ID以及操作参数，在操作参数下存储有设置机器人速度参数、编辑参数、删除任务、状态显示以及执行情况，在执行情况下存储有视频监控界面，该视频监控界面显示有标定3D打印构件位置、预出料、开始、暂停、结束、视频监控以及实时参数。

下面对本发明的建筑3D打印机器人设备的打印过程进行说明。

启动该建筑3D打印机器人设备，将一3D打印作业任务输入给控制模块，该3D打印作业任务包括打印构件的位置信息以及尺寸信息，控制模块先通过激光传感器确定机架的站点位姿，再根据激光传感器和超声波传感器检测周围的障碍物信息，得到周围障碍物的情况，从而设计一条从机架的站点位姿到3D打印作业位置点的行走路径，通过该行走路径控制移动机构进行运动，带着机架移动至3D打印作业位置点，在移动的过程中，超声波传感器实时检测周围的障碍物信息，控制模块根据障碍物信息实时判断障碍物是否影响建筑3D打印机器人设备的行走路径，在有影响时，调整行走路径以避开障碍物。待建筑3D打印机器人设备移动到3D打印作业位置点处时，控制模块控制支撑机构调节支撑高度，将机架撑起使得移动机构的前轮和后轮腾空，并调节工作台处于水平状态。控制模块根据打印构件的尺寸信息确定在该3D打印作业位置点处的打印路径，根据打印路径控制机械臂进行运动，带着3D打印头进行移动，在3D打印头移动的过程中，控制驱动电机运行从出料口处挤出打印材料，开始3D打印作业，同时摄像头运行，拍摄打印头的出料状态，形成拍摄信息发送给控制模块。较佳地，控制模块将拍摄信息通过一显示屏幕进行实时显示，以供施工人员了解实际的打印状态，或者控制模块将该拍摄信息发送给远端控制中心，由远端控制中心进行同步显示。在完成一个3D打印作业位置点处的3D打印作业后，收起支撑机构，利用移动机构带着机架移动到下一个3D打印作业位置点进行3D打印作业，直至完成该3D打印作业任务。

本发明还提供了一种建筑3D打印机器人设备的控制方法，下面对该控制方法进行说明。

本发明的建筑3D打印机器人设备的控制方法，包括如下步骤：

获取3D打印作业任务，依据所获取的3D打印作业任务规划出行走路径和打印路径；

提供建筑3D打印机器人设备，将行走路径和打印路径发送给建筑3D打印机器人设备的控制模块，并通过控制模块控制建筑3D打印机器人设备沿行走路径运动至3D打印作业位置处，控制机械臂沿打印路径移动并带动打印头进行3D打印作业。

较佳地，3D打印作业任务包括打印构件的位置信息以及尺寸信息。

在本发明的一种具体实施方式中，还包括：

获取机架的位置信息，基于机架的位置信息结合3D打印作业任务规划得出打印路径；

获取机架周围的障碍物信息，基于障碍物信息和3D打印作业任务规划得出行走路径。

具体地，通过机架上安装的激光传感器获取该机架与3D打印作业现场设置的标定板间的距离，通过该距离和机架的位姿角计算得出机架的位置信息，也即机架的坐标值。通过机架上安装的激光传感器获取机架周围的障碍物距机架的距离，通过机架上安装的超声波传感器获取机架周围的障碍物距机架的距离，从而在设计行走路径时，让机架绕开各个障碍物。

在本发明的一种具体实施方式中，机架的底部装设有支撑高度可调节的支撑机构；

待建筑3D打印机器人设备运动至3D打印作业位置处时，控制支撑机构调节支撑高度以将机架撑起，并通过调节支撑机构的支撑高度使得工作台处于水平状。

支撑机构有多个，利用一水平传感器获取工作台的水平状态，根据该水平状态调整相应的支撑机构的支撑高度，直至该工作台处于水平状态。

在本发明的一种具体实施方式中，在该建筑3D打印机器人设备运动过程中，实时检测该建筑3D打印机器人设备周围的障碍物信息，判断是否有障碍物阻挡建筑3D打印机器人设备运动，若有，则修改行走路径以避开阻挡运动的障碍物。

在本发明的一种具体实施方式中，该建筑3D打印机器人设备的机架的底部设有向外凸伸的防撞边板，在防撞边板上安装有复数个压力传感器，该些压力传感器与控制模块连接。在建筑3D打印机器人设备运动过程中，若防撞边板与障碍物发生碰撞，压力传感器形成碰撞信号发送给控制模块，控制模块接收到碰撞信号后直接停止建筑3D打印机器人设备的运动。在停止运动后，控制模块通过超声波传感器获取建筑3D打印机器人设备周围的障碍物信息，控制建筑3D打印机器人设备向着无障碍物的方向移动，驶离碰撞位置，而后再重新规划建筑3D打印机器人设备的行走路径。

本发明还提供了一种建筑3D打印机器人设备的控制系统，下面对该控制系统进行说明。

本发明的建筑3D打印机器人设备的控制系统用于控制建筑3D打印机器人设备以实现自动打印，该建筑3D打印机器人设备包括机架、置于机架上的机械臂、装设于机械臂的末端的打印头以及装设于机架底部的移动机构；本发明的控制系统包括任务模块、规划模块以及控制模块；其中的任务模块用于接收3D打印作业任务；规划模块与任务模块连接，该规划模块接收3D打印作业任务并规划得出行走路径和打印路径；控制模块与规划模块连接，该控制模块与机械臂、打印头以及移动机构控制连接，控制模块接收行走路径和打印路径，并控制移动机构沿行走路径运动并带动机架移动至3D打印作业位置处，控制机械臂沿打印路径移动其末端，使得机械臂带动打印头沿打印路径运动并完成3D打印作业。

在本发明的一种具体实施方式中，还包括与规划模块连接的采集模块；采集模块用于获取机架的位置信息和机架周围的障碍物信息；

规划模块接收机架的位置信息和机架周围的障碍物信息，基于机架的位置信息结合3D打印作业任务规划得出打印路径；基于障碍物信息和3D打印作业任务规划得出行走路径。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种建筑3D打印机器人设备，其特征在于，包括：

机架，顶部具有工作台；

置于所述工作台的机械臂，所述机械臂的末端的位置可移动调节；

装设于所述机械臂的末端、供实现3D打印的打印头；

装设于所述机架底部的移动机构，通过所述移动机构使得所述机架可移动调节；以及

置于所述机架上的控制模块，所述控制模块与所述机械臂、所述打印头以及所述移动机构控制连接，所述控制模块依据所需完成的3D打印作业任务控制所述移动机构运动并带动所述机架移动至3D打印作业位置处，所述控制模块还控制所述机械臂沿打印路径移动其末端，使得所述机械臂带动所述打印头沿打印路径运动并完成3D打印作业。

2.如权利要求1所述的建筑3D打印机器人设备，其特征在于，所述移动机构包括安装于所述机架前侧的一对前轮、与每一前轮驱动连接的驱动总成、安装于所述机架后侧的安装座、可转动的安装于所述安装座的摇摆桥以及安装于所述摇摆桥两侧的后轮；

所述摇摆桥沿横向设置，且所述摇摆桥的两侧可绕其转动连接处上下浮动，从而带着对应的后轮上下浮动以适应不平整的作业面。

3.如权利要求1所述的建筑3D打印机器人设备，其特征在于，还包括装设于所述机架对角处的激光传感器，所述激光传感器用于测量所述机架与3D打印作业现场设置的标定板间的距离以得到测距信息；

所述激光传感器与所述控制模块连接，并将所述测距信息发送给所述控制模块，所述控制模块根据所述测距信息计算得出所述机架的位置信息，并根据得到的位置信息结合所需完成的3D打印作业任务规划出打印路径。

4.如权利要求3所述的建筑3D打印机器人设备，其特征在于，

所述激光传感器观测所述标定板在激光坐标系下的位置并得到对应的坐标信息；

所述控制模块接收标定板的坐标信息并将所述标定板的坐标信息转换到全局坐标系下得到转换坐标

其中的i取值为1至n；

所述控制模块根据三边定位法计算得出所述机架在全局坐标系下的位姿

^WP_R＝(A^TA)^-1A^Tb

其中，

5.如权利要求1所述的建筑3D打印机器人设备，其特征在于，所述机架的底部设有向外凸伸的防撞边板，所述防撞边板上装设有压力传感器，所述压力传感器与所述控制模块连接，在所述防撞边板发生碰撞时，所述压力传感器产生碰撞信号发送给所述控制模块，以使得所述控制模块控制所述移动机构停止所述机架的运动。

6.一种建筑3D打印机器人设备的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取3D打印作业任务，依据所获取的3D打印作业任务规划出行走路径和打印路径；

提供如权利要求1所述的建筑3D打印机器人设备，将所述行走路径和所述打印路径发送给所述控制模块，并通过所述控制模块控制所述建筑3D打印机器人设备沿行走路径运动至3D打印作业位置处，控制所述机械臂沿打印路径移动并带动所述打印头进行3D打印作业。

7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，还包括：

获取所述机架的位置信息，基于所述机架的位置信息结合所述3D打印作业任务规划得出打印路径；

获取所述机架周围的障碍物信息，基于所述障碍物信息和3D打印作业任务规划得出行走路径。

8.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述机架的底部装设有支撑高度可调节的支撑机构；

待所述建筑3D打印机器人设备运动至3D打印作业位置处时，控制所述支撑机构调节支撑高度以将所述机架撑起，并通过调节所述支撑机构的支撑高度使得所述工作台处于水平状。

9.一种建筑3D打印机器人设备的控制系统，其特征在于，所述建筑3D打印机器人设备包括机架、置于所述机架上的机械臂、装设于所述机械臂的末端的打印头以及装设于所述机架底部的移动机构；

所述控制系统包括：

任务模块，用于接收3D打印作业任务；

与所述任务模块连接的规划模块，所述规划模块接收3D打印作业任务并规划得出行走路径和打印路径；以及

与所述规划模块连接的控制模块，所述控制模块与所述机械臂、所述打印头以及所述移动机构控制连接，所述控制模块接收所述行走路径和所述打印路径，并控制所述移动机构沿所述行走路径运动并带动所述机架移动至3D打印作业位置处，控制所述机械臂沿打印路径移动其末端，使得所述机械臂带动所述打印头沿打印路径运动并完成3D打印作业。

10.如权利要求9所述的控制系统，其特征在于，还包括与所述规划模块连接的采集模块；

所述采集模块用于获取所述机架的位置信息和所述机架周围的障碍物信息；

所述规划模块接收所述机架的位置信息和所述机架周围的障碍物信息，基于所述机架的位置信息结合所述3D打印作业任务规划得出打印路径；基于所述障碍物信息和3D打印作业任务规划得出行走路径。

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