网站地图

平面系列

leyu app:《香港大规模房屋发展实施自动化和机械化的潜力》(连载之二)

发布时间:2022-07-23 20:19:01 来源:leyu乐鱼app 作者:leyuapp

  ,旨在评估目前的现场施工过程,并找出现有的瓶颈,探讨可通过实施机器人技术和自动化来改善的路线……这个报告的原文只有英文版,可以在CIC官方网站下载。

  这份报告就如何在香港公营房屋建造业应用建筑机器人和自动化技术提供了深刻的见解。因此,对于未来香港和中国其他城市的建筑机器人和自动化的研究和发展是有价值的文献。

  笔者认为,本文最大的作用是通过研究知名专家及机构的报告,了解做事的套路,避免走弯路……另外,看完以后也可以对博智林等国内建筑机器人做出一个正确的评价……

  在当时并没有深挖Thomas BOCK的背景,只是觉得他的论文质量比较高……由此可见我在分辨论文质量方面,已经达到一定的高度,哈哈哈

  今天在AMAZON搜了一下他的书(小伙伴们支持点豆豆,买书很贵啊),顺便把AMAZON关于他的介绍看了一下。

  基于第3章的关键结果,本章的目的是研究提出的façade和外部工作机器人系统的运动学、功能和设计。特别是系统的详细设计,即插即用的可交换末端执行器系统,以及定位系统将被详细说明。这一阶段的研究有助于项目团队开发原型/模型系统,在第5章中有详细的解释。

  拟议的façade和外部工作机器人是基于一个悬挂平台系统,即俗称的贡多拉,广泛用于香港建造业的各种façade任务。在普通屋顶支撑系统的支撑下,机器人可以在执行任务的同时从高层建筑的顶部下降到底部。机器人顶部吊装装置附近的两个电机驱动机器人的上下运动。通过添加各种传感器,最终的目标是实现一个完全自动化的façade处理机器人系统,这样机器人就可以轻松地启动并由不超过一个工人操作。此外,如果需要,几个工人也可以站在贡多拉平台上进行检查、维修和供应。机器人系统是高度模块化的,这意味着机器人的形状和大小可以很容易地根据目标建筑的设计改变。详细设计如图4-1所示,如图4-2所示为façade机器人执行绘画功能时的顺序可视化。

  在香港建筑工地上广泛使用的传统屋顶支撑系统可以支撑机器人。悬挂机构由前梁、中梁、后梁、前底座、上柱、配重、加强钢丝绳、调节杆组成。中梁插入前梁和后梁,长度可调整,以适应工作场所。悬梁到地面的高度也可以在1.1米到1.8米之间灵活调节。脚轮安装在前底座和后底座上,可以方便地移动悬挂机构。配重的数量将根据机器人系统来决定。顶板支护体系设计如图4-3所示。

  为了拓宽机器人的性能,提出了一种可变即插即用的末端执行器系统。因此,该机器人不仅可以执行façade绘画任务,而且还可以执行其他façade和外部任务,无需购买新的机器人。本节将介绍不同的改变末端执行器的方法,各种插拔末端执行器,以及潜在的建筑应用场景。

  为了实现可变即插即用的末端执行器功能,可提出手动模式、“瑞士军刀”模式和供应机器人模式三种选择。这些选项的解释如下。

  在手动模式下,经过培训的建筑工人可以在机器人用完相应的资源时给机器人提供油漆或水。当任务需要改变时(如从喷漆到检查),工人也可以在工作现场简单地用手更换末端执行器(见图4-4)。

  在这种模式下,机器人具有多功能的可旋转末端执行器工具集,多个末端执行器集成在同一个机器人中。该工具集的最低位置是活动位置。当需要执行特定的任务时,可旋转的工具集会将相关的末端执行器旋转到活动位置,以便执行所需的任务。在这种模式下,水/漆仍需人工上水/上漆(如图4-5所示)。

  在这种模式下,除了主机器人(robot A)外,还设计了一个较小的供应机器人(robot B)来提供油漆/供水或通过切换主机器人的末端执行器来改变其功能(如图4-6所示)。

  项目团队已经确定了9个不同的façade /外部任务,这些任务可以在可预见的未来实现自动化,包括精细抹灰、打磨、油漆、检查和标记、清洁、泄漏检测、灭火、façade安装和更换,以及管道安装。提出的各种末端效应器的详细设计及其算法流程图如下(如图4-9至图4-19所示)。请注意,这些流程图只显示每个末端执行器如何工作的抽象概念。为了简单起见,这里没有添加检查循环,因为每个任务的检查方法是不同的。各种末端执行器的细节将在后续项目中讨论。

  如前所述,拟议的机器人系统专注于香港公共房屋建设(PHC)部门的façade任务,这些任务包括但不限于外墙抹灰、打磨、油漆、检查和标记、清洁、泄漏检测、灭火、façade安装和更换,以及管道安装。然而,为了进一步扩展潜在应用建筑的类型并使所提出的机器人系统的利益最大化,这些façade任务的应用建筑类型可以扩展到办公楼、酒店、公共/商业建筑、工厂和造船厂。图4-20显示了各种各样的构建应用场景,在这些场景中可以应用识别的façade任务。

  定位在建筑机器人系统中起着非常重要的作用。所提出的机器人系统在处理façade任务时可能会受到惯性力和外力的影响。如果机器人不是固定在建筑物上,它可能会被这些力无意识地移动。此外,该运动还包含一些与控制、测量等有关的误差。因此,建筑师设计了一种固定建筑立面位置的机制。在本节中,将演示定位系统的设计和机构。

  为了将机器人固定到香港公共房屋façade上的适当位置,机器人主要有跟随末端执行器用于定位。

  这四个真空夹持器可在任何平面上操作。在正常情况下,它们也能承受风荷载。机器人不能在强风和大雨等极端情况下操作。

  精密定位系统的设计仅仅是为了调整位置的精度。它不是用来承受风荷载的。因此,需要进行试点项目来测试定位系统的实际性能。

  此外,偶尔也会发生突然的强风。因此,TUM项目团队需要制定一个深思熟虑的解决方案,在后续项目中解决这一稳定性问题。

  至于其他形式的运动,垂直运动几乎是很小的,因此可以忽略不计,因为从建筑屋顶的绳索悬挂着沉重的机器人。此外,真实的位置与理想的位置之间也存在着不可避免的差距。机器人具有测量功能,可以通过摄像头计算间隙。

  现时的定位系统是专为配合香港的公共房屋而设计的。定位系统应用于其他类型的建筑物时,必须进行调整。下面是对定位过程中每一步的描述。

  机器人沿绳索下降,直到机器人与悬吊物之间的距离小于设定的阈值。这个距离可以通过机器人的初始位置和机器人移动的距离来计算。根据电机的滑轮尺寸和电机的转数来计算移动距离(如图4-22所示)。

  机器人减速下降,直到精细定位模块上的力传感器检测到与悬垂物的接触。检测完成后,机器人停止下降(如图4-23所示)。力感模块的详细结构如图4-24所示。当力影响到模块时,球推动弹簧,然后力传感器在底板上。然后这个模块检测触点。类似于机械鼠标的机制,球可以在接触面平滑地旋转。它的直径比盖子上的孔直径大,防止它掉出来。

  机器人将末端执行器沿x轴缓慢移动到壁面上。与第二步相同,机器人停止由测力模块决定的运动(如图4-25)。力模组可以在悬臂上滑动,因为它有滚球机构。

  机器人将末端执行器沿y轴由中间向外移动(如图4-26所示)。机器人像第二步和第三步一样停止运动。到目前为止,如果精细定位模块中的所有三个力传感器都受到力的影响,机器人就会知道它处于对悬垂物的正确位置。顺便说一下,现在机器人只固定在悬挑上。定位末端执行器可能会意外损坏悬臂,反之亦然。因此,在机器人系统中增加了真空夹持器,使其进一步固定在墙上。

  机器人将真空夹持器以适当的长度向壁面延伸,长度由真空夹持器中的力传感器决定。然后它抓住墙壁来固定自己的位置。到第五步为止,机器人可以固定到建筑物的位置。但是理想位置和实际位置之间可能会有差距,因为建筑和机器人各自都有各种误差,比如测量误差。机器人需要检测并分析间隙(如图4-27所示)。

  之后,机器人计算真实位置与理想位置之间的偏差。然后机器人将偏差存储为偏移量。机器人随偏差调整末端执行器运动。它是通过比较建筑物的三维模型和机器人上摄像头拍摄的图像来计算的。如果偏差大于阈值(例如5cm),则机器人从第1步开始重复定位过程。如果机器人多次重新定位仍无法找到正确的位置,则会触发报警,通知维修人员到现场检查机器人的状态(如图4-28所示)。

  基于第4章演示的façade/外部工作机器人系统,项目团队开发了一个原型,演示了façade处理机器人系统的设计、运动学和功能。在接下来的第5章中,项目团队介绍了过程信息建模(PIM)的概念,它可以作为所提出的机器人系统的大脑。

  根据CIC和TUM之间的协议,与德国一家机器人公司合作建造了一个简化的1:3比例的模型。该模型是在德国而不是深圳建造的原因有三。首先,TUM项目组更容易与德国公司进行沟通。第二,TUM与机器人公司的紧密合作,保证了质量控制。第三,可以更好地保护机器人的知识产权。此外,由于简化和预算的原因,无论是原型还是模型都将只专注于一个任务,而不是项目团队先前计划的整个任务/末端执行器范围。

  g)原型机(一种产品)的成本(像往常一样)大大高于最终的商业可用系统的成本。例如,批量采购部件将大大降低型材和执行机构等材料的成本。此外,控制系统的开发、控制器的编程等成本可以在以后分配到该系列的所有机器人上。一个商用系统的一个部分(=独立系统)的目标成本应为50.000 - 80.000欧元,具体取决于批量大小。

  当使用油漆和清漆或可燃颜色粉尘时,需要注意的是,当地的EXX区域可能是有用的,而使用IP68EX需要更昂贵的电气系统组件和电缆。

  模型具有3个轴的可移动性,可以模拟上述提出的机器人系统(见图5-1)。项目团队决定以1:3的比例进行构建,具体尺寸如图5-2所示。除此之外,该模型将建立在一个模块化和可扩展的平台上,以便项目团队在最终演示之后(当有额外资源时)可以使用额外的电机、轴和功能来扩展该模型。最终,它也将成为一个小型研究平台。

  如图5-4所示,提出的模型设计由14个主要部件组成。其中包括悬挂式工作平台、提升装置、行程管、履带滚轮、传动链、链轮装置、伺服电机、电源、自动喷枪、无空气喷漆机、漆桶、控制单元、压缩空气吸杯稳定器和线性执行器。下面将详细介绍各部件的功能和选型。

  (1)悬挂式工作平台所提出的机器人系统设计基于悬挂式工作平台。悬挂式工作平台作为模型的主体框架(如图5-5所示),可采用铝型材制作(即40mm × 40mm型)。该型材系统加工简单,装配速度快。它的灵活和模块化结构意味着它可以很容易地修改和在任何时候可重用。各种各样的配件为应用程序提供功能性和美学效果(见图5-6)。

  现有的吊装吊架从工作平台上可以调整和使用在模型中。项目团队也可以即兴搭建一个功能类似的简单设备(如图5-7所示)。

  通常在3D打印机中看到,行程管是直线运动的关键部件。行程管的材料可以由管铝型材制成(参见图5 - 8)。

  履带滚轮的材质可以是橡胶、塑料或钢材。车轮的实际材质和尺寸需要与材料提供方工程师确认(如图5-9所示)。

  链传动是把机械动力从一处传递到另一处的一种方式。虽然在自行车和摩托车上很常见,但除了车辆外,它还广泛应用于各种机器上。它是一个合适的机制,因为它的耐久性和可负担的模型。链条尺寸与供货公司工程师确认,如图5-10所示。

  模型中的链条齿轮需要耐用。链齿轮的尺寸和材料需要与供货公司的工程师确认(见第5 - 11图)。

  伺服电机是指能够精确控制角度或线性位置、速度和加速度的旋转驱动器或线性驱动器。它由一个合适的电机和一个位置反馈传感器组成。它还需要一个相对复杂的控制器,通常是一个专门为使用伺服电机设计的模块。提出的模型设计需要两台伺服电机,其规格需要与自动化公司确认(见图5-12)。

  电源的规格是根据伺服电机和直线电机的选择而定,需要和自动化公司确认。电源示例如图5-13所示。

  自动喷枪是模拟机器人系统的关键部件,也是实际机器人系统的关键部件。以自动无气喷枪(见图5-14)为例,可以考虑如下原因:

  油漆桶需要制作,且油漆桶可重复填充、清洁、固定牢固,设计如图5-16所示。另外,料斗套件也可以用于拟议的系统(见图5-17)。

  项目组需要向自动化公司咨询设计理念需要什么样的控制单元。这也取决于自动化程度和机器人将配备的传感器(见图5-18)。

  机器人需要使用四组压缩空气吸盘作为稳定器,以达到机器人的适当承重(如图5-19所示)。稳定系统通常包括:

  安装自动喷枪时,需要一套直线执行器。直线执行机构的规格和控制系统需要由自动化公司确认。图5-20显示了可能的线性致动器的几个示例。

  传感器在机器人系统中起着重要的作用。特别是在这个模型中,需要使用近距离传感器,这是一种可以在没有任何物理接触的情况下检测附近物体存在的传感器,以避免机器人和立面之间的碰撞,示例如图5-21所示。具体需要和自动化公司讨论确认。

  操纵杆是一种输入设备,由一个在基座上旋转的操纵杆组成,并向其控制的设备报告其角度或方向。模型的操纵杆控制盒需要用户友好和易于操作。也许速度控制功能也可以增加到这个控制盒。控制盒设计如图5-22所示,图5-23是它的一个研究模型。

  如前所述,该模型的最终版本是与TUM的技术合作伙伴HERO GmbH (HERO GmbH, 2018)合作制造的。为了确保模型制作的进度和质量,TUM项目团队多次前往HERO公司进行实地考察。整个建立模型的过程是顺利和成功的。图5-24到图5-35展示了模型的详细内容。

  此外,TUM项目组还与HERO公司共同制作了一份安装、操作和维护展览中心模型的安全手册(另存为一个文件,如图5-36所示)。因此,在展览中心的技术人员可以很容易地配置电路和建立模型系统的安全手册(见图5-37)。之后,模型会由专业船运公司包装及运至香港,作展览及示范之用。

  最终,该模型预计将在伦敦向公众展示和演示香港建筑创新及科技应用中心。放置模型的建议位置如图5-38所示,可使用的安装装置的最大尺寸(2300mm*900mm*2500mm)如图所示5-39。

  该项目在严格的时间表和非常紧张的预算下运行。因此决定建立一个1:3比例的演示模型来演示主要功能。此外,对最终设计进行了小的更改,以实现更经济有效的模型。例如,在演示中使用了一些线性系统和激光指示器,而不是链条齿轮和无空气喷漆器。所有这些变化意味着TUM与原型制造商Hero GmbH之间的良好沟通。墙壁的比例模型有助于更好地展示模型的工作过程。模型由控制面板控制,可放置在距离模型3-4米远的地方。图5-40显示了CITAC展区的假定可视化情况。

  关于façade-processing机器人原型(模型)的开发的关键见解和成果,用于在CITAC上演示和展览