МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ РОБОТ

Полезная модель относится к робототехнике, а именно к строительным роботизированным системам, и может быть использована как установка для автономного послойного наращивания конструкций зданий и строений и выполнения механической обработки поверхностей.
Известны робототехнические системы, описанные в патентах US 20100025349 А1, опубл. 4.02.2010 г., и US 7641461 В2 опубл. 5.01.2010 г. разработанные в Университете Южной Калифорнии. Система описанная в патенте US 20100025349 А1 имеет портал, проходящий по рельсам, состоящий из колонн, по которым на шарнирах скользит поперечная балка, по ней движется тележка с соплом для подачи бетонной смеси. К недостатку данной системы относится то, что при эксплуатации системы возможно возникновение перекосов между поперечной балкой с первой и второй колоннами портала (от нагрузок на балку при остановках, от накопленных погрешностей в шаге зубчатых реек и т.п.).
Также известна робототехническая трехкоординатная система, описанная в патенте US 7814937 В2, опубл. 19.10.2010 г., того же самого патентообладателя. Робототехническая система имеет мобильные рельсы, частично закрепленные на автомобильной платформе, передвигающийся по рельсам портал, тележку, расположенную на портале с возможностью перемещения в направлении перпендикулярном рельсовому пути, шток с соплодержателем, расположенный на тележке с возможностью вертикального перемещения.
Эта установка принята за прототип. Недостатком данной системы является ограничение длины мобильных рельсов, из-за чего уменьшается рабочая зона. Также к недостатком является малое количество степеней подвижности. При большой стоимости системы выгоднее делать ее универсальной.
Вне зависимости от этих систем, описанных выше, механическая разработка их в настоящий момент допускает значительную возможность улучшения в различных аспектах, среди которых универсальность является одним из многих.
Задачей полезной модели является создание автономной модифицированной системы с расширенными техническими возможностями.
Техническим результатом полезной модели является автоматизация строительства конструкций зданий и строений, достигаемая применением компьютерных и роботизированных технологий, сокращение затрат человеческих ресурсов, увеличение скорости строительства, улучшение качества возведения сложных по конструкции строений с машинной точностью.
Для достижения технического результата строительный многофункциональный робот содержит портал, перемещающийся по направляющим рельсам, содержащий каретку, расположенную на портале с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном к направлению рельсового пути, приводы и контроллер, предназначенный для управления приводами. Портал также содержит телескопические колонны с возможностью перемещения по вертикали верхней части портала. Каретка снабжена автономной системой послойного наращивания конструкций зданий и строений, содержащей манипулятор со встроенным смеситель-экструдером, выполненным с возможностью в автономном режиме готовить строительную смесь и обеспечивать ее последующую экструзию. А конечное звено манипулятора снабжено модулем для фиксации обрабатывающего инструмента с возможностью вращения инструмента вокруг вертикальной и горизонтальной осей. При этом обрабатывающий инструмент робота выполнен с возможностью осуществления отделочных и художественных работ.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Выше упомянутые аспекты настоящей полезной модели становятся очевидными из следующего подробного описания со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фигура 1 является перспективным изображением строительного многофункционального робота в трехмерной системе координат;
Фигура 2 является перспективным изображением конструкции строительного многофункционального робота на фоне возведенного им строения;
Фигура 3 является увеличенным перспективным изображением одной из телескопических колонн портала;
Фигура 4 является увеличенным перспективным изображением каретки с площадкой для манипулятора;
Фигура 5 является перспективным изображением расположения основных компонентов автономной системы по подготовке смеси;
Фигура 6 является увеличенным перспективным видом модуля обрабатывающего инструмента для выполнения отделочных и художественных работ.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Полезная модель относится к роботизированной системе портального типа. В конструкции используются легкие сплавы алюминия со сложным профилем. Использование таких профилей при их легкости дает возможность добиться достаточно высокой несущей способности.
Система строительного робота (100) состоит из двух направляющих рельсов (4.1), (4.2), по которым перемещается портал (фиг. 1). Конструкция портала состоит из: телескопических колонн (3.1, 3.2, 3.3, 3.4), поперечной балки (3), и каретки (2), которая снабжена манипулятором (1) со встроенным смеситель-экструдером (24), входящим в систему по автономной подготовке строительной смеси (200) (фиг. 5) с последующей экструзией смеси. Также манипулятор (1) оснащен двумя дополнительными приводами вращательного движения (8.5, 13.4), (8.6, 13.5) обеспечивающими возможность поворота инструмента по двум осям А и С. Конечное звено манипулятора (1) (фиг. 6) содержит модуль (25) для фиксации обрабатываемого инструмента (25.2).
Вся система предусматривает работу из бетонных смесей с последующей обработкой поверхностей в трехмерном пространстве. Робототехническая установка работает следующим образом.
Система строительного робота (100) (фиг. 1) имеет три основных направления в трехмерной системе координат. Направление движения X, U вдоль рельсов (4.1), (4.2); в направлении Y по поперечной балке (3); и, в направлении W, R, Z вдоль двух вертикальных телескопических колонн (3.1, 3.2, 3.3, 3.4), и вдоль каретки (2) по вертикали. Контроль движения всех систем осуществляется запрограммированным контроллером (5) (фиг. 2), который по гибкому кабель-каналу (6) передает сигналы шаговым моторам строительного робота (100), движущим портал по рельсам (4.1), (4.2), а также дает команды на перемещение каретки (2) с манипулятором (1).
Схематично (фиг. 3) показаны составляющие телескопической колонны, состоящей из нижней неподвижной секции (3.1) и подвижного звена (3.3). Подвижное звено колонны приводимое в движение электролебедкой и системой тросов скользит за счет линейных модулей (11.1, 11.2, 11.3, 11,4) по направляющим (12.1) и (12.2 не показано). Причем подъем подвижного звена необходим только после окончания требуемой высоты по оси Z. Телескопические колонны также могут приводиться в движение с помощью гидравлических систем и состоять из двух и более телескопических звеньев. По горизонтали телескопическую колонну приводит в движение шаговый двигатель (8.1) и редуктор на ременной передаче, которые одновременно представляют систему - зубчатое колесо с неподвижной зубчатой рейкой (14.1), прикрепленной к рельсу (4.1). Телескопическая колонна стоит на двух ребордных колесах с подшипниками качения (7.1), (7.2), которые позволяют ей перемещаться вдоль рельса (4.1).
Каретка (2) соединена с балкой четырьмя модулями линейного перемещения (11.9, 11.10, 11.11, 11.12) (фиг. 4) и снабжена четырьмя модулями скольжения (20.1, 20.2, 20.3, 20.4), взаимодействующими с вертикальной площадкой для манипулятора (ось Z). Кроме того, на каретке (2) расположен шаговый двигатель (8.3) и редуктор на ременной зубчатой передаче, одновременно входящих в зацепление через зубчатое колесо с неподвижной зубчатой рейкой (14.3) прикрепленной к поперечной балке. Площадка для манипулятора перемещается за счет шариковинтовых передач (18.1, 18,2) имеющих на концах зубатые шестерни (16.1), (16.2), которые приводятся в движение от шагового мотора (8.44) через ременно-зубчатый ремень (16.1).
С помощью управляющего контроллера (5), по сигналу, манипулятор приводится в движение. Манипулятор вместе с встроенным смеситель-экструдером (1) в составе портала (100) выполняет послойную укладку бетонной смеси, с помощью устройств автономной системы (200). В автономную систему (200) (фиг. 5) входит оборудование: газогенератор (30), контейнер с сухой смесью (28), транспортная установка (27), рукава (26.1, 26.2), воздушный компрессор (29), водяной насос (31) и емкость с водой (32), соединенные по рукавам (26.1, 26.2) с смесителем-экструдером (24).
Приготовление строительной смеси из сухой смеси и воды в готовую нужной консистенции осуществляется за счет системы устройств (200). От контейнера с сухой смесью (28), с помощью встряхивателя (28.1), сухая смесь поступает в транспортную установку (27). Нужное количество смеси (порцию) регулирует запорный элемент с сервоприводом (27.1) в связке с запорной тарелкой (27.2). В момент наполнения транспортной установки (27) порцию сухой смеси выдавливает сжатый воздух от воздушного компрессора (29) под управлением электроклапана (29.1). По рукаву (26.1) сухая смесь под давлением воздуха поступает в резервуар смеситель-экструдера (24). На резервуаре сверху установлен матерчатый пылеулавливатель (24.2). При включении электродвигателя с редуктором (24.1) возникающий при этом крутящий момент передается через вал (24.3) на упругую шнековую пару (24.4), которая вращаясь, перемещает из зоны загрузки сухую смесь в зону разгрузки уже готовую бетонную смесь. Нужное количество воды поступает от емкости с водой (32) через водяной насос (31) по водяному рукаву (26.2) до резервуара смеситель-экструдера (24). За счет вращения смесительного вала происходит перемешивание сухой смеси с водой. Проходя через шнековую пару готовая бетонная смесь выдавливается через сопло (25.1).
При необходимости обработки поверхностей конструкций здания используется модуль с фиксацией инструмента для обработки поверхностей (фиг. 6), позволяющего выполнять отделочные и художественные работы. Модуль для фиксации обрабатывающего инструмента оснащен двумя дополнительными приводами вращательного движения, обеспечивающими возможность поворота инструмента по двум осям А и С. На ось А устанавливается инструментальный шпиндель (29). Ось С и А состоят из двух шаговых двигателей (8.5, 8.6), а также ременных редукторов (13.4, 13.5), которые обеспечивают вращение инструмента по сигналам контроллера (5).
Все операции, выполняемые строительным многофункциональным роботом, осуществляются по командам с центрального контроллера управления (5) по командному - информационному кабелю, уложенному в гибкий кабель (6). По специальной программе блоков ЭВМ и блоков электроавтоматики сигнал поступает к электроавтоматике портала и исполнительным механизмам робототехнической системы. Специальное программное обеспечение контроллера управления производит обработку геометрической CAD - модели изделия, представленной в виде STL - файла. Затем специальным алгоритмом декомпозиции 3D модель разбирается на слои, последовательное формирование которых приводит к послойному наращиванию конструкций объекта.
Применение полезной модели позволяет расширить технические возможности строительных роботов портального типа.
Новые технологии в строительстве позволят более широко выразить эстетическое архитектурное творчество, улучшат качество сооружений, избавят от рутинного человеческого труда, сохранят экологию, позволят более гармонично адаптировать строения к виду окружающей среды, позволят выразить в дизайне биологически подобные плавные формы.
Полезная модель соответствует условию "промышленная применимость", поскольку создается с помощью известных средств производства и с помощью существующих технологий.
Источники информации:
1. US 20100025349 А1 Патент, (Gantry Robotics System and Related Material Transport for Contour Crafting) 2010-02-4, [он-лайн], [найдена 2015-01-15]. Найдена в базе поисковой системы Google по Интернет: <URL:http://www.google.com.br/patents/US20100025349>;
2. US 7641461 В2 Патент, (Robotic systems for automated construction) 2010-01-5, [он-лайн], [найдена 2015-01-15]. Найдена в базе поисковой системы Google по Интернет: <URL:https://www.google.com.br/patents/US7641461?dq=US+7641461+B2&hl=ru&sa=X&ei=2-zuVP_HOOXXyQPnnILACw&ved=0CB4Q6AEwAA>;
3. US 7814937 B2, A1 Патент, (Deployable contour crafting) 2010-10-19, [он-лайн], [найдена 2015-01-15]. Найдена в базе поисковой системы Google по Интернет: <URL:https://www.google.com.br/patents/US7814937?dq=US+7814937+B2&hl=ru&sa=X&ei=qu3uVMuHBOO7ygP3tIHAAw&ved=0CB4Q6AEwAA>.