本发明涉及智能建造，特别是一种3d打印混凝土的自动配筋方法及装置。
背景技术：
1、3d打印混凝土是增材制造的一种形式，随着3d打印技术的发展，其在建筑领域的应用日益广泛。然而，现有的3d打印混凝土技术在自动化配筋方面存在效率低下和精度不足的问题。3d打印混凝土最简单和最广泛应用的形式是基于挤压的打印方式:一种逐层叠加的混凝土挤压工艺。这种打印方式可以用于制造中大型土木工程结构，例如单层或多层的房屋，办公楼，人行天桥等类似的结构。
2、但由于3d打印混凝土材料自身特性，无法满足结构抗弯、抗震的等需求，为了增加其承重性能，从根本上成为一种可行的建筑材料，合适的配筋增强方法是必不可少的。得益于与混凝土材料良好的粘结性能，钢材一直是建筑领域最常见的结构增强材料。目前较为常见且施工较为简单的配筋方式就是利用轮廓工艺打印出混凝土模板，而后放入已经绑扎好的钢筋笼并浇入混凝土形成叠合结构，但此方法的实现也有诸多不便，如需要手动绑扎大量钢筋笼，且相较于普通钢筋混凝土柱，此工艺制作的叠合柱承载力降低了约15％。此外，还有采用在层间铺设钢丝、钢丝网、碳纤维格栅以及钢刀片绳的形式实现水平方向增强，在打印头处将钢丝引入混凝土材料实现增强效果。但是采用上述方案的材料强度增长有限，且与打印工艺兼容性较差，配筋过程不便利。而采用人工配筋的方法，不仅耗费时间，而且人工成本较高。并且，人工配筋的准确性较低，容易出现配筋错误，造成混凝土开裂、坍塌等危害。因此，如何在打印过程中自动置入钢筋成为了制约3d打印混凝土技术发展的瓶颈问题。为了改善现有技术的缺陷，亟需研发一种3d打印混凝土的自动配筋流程及方法。
技术实现思路
1、基于此，为了克服现有技术的上述缺点，本发明的目的是提供一种3d打印混凝土的自动配筋流程及方法，以解决上述背景技术提出的问题。提供一种提高3d打印混凝土构件自动化配筋效率和精度的方法。
2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种3d打印混凝土的自动配筋方法，所述方法包括：
3、步骤s1：根据实际3d混凝土构件尺寸需求，计算初始底部基层矩形单元各边长、坐标等参数，进行初始矩形单元底部基层打印，较佳的是打印厚度为30cm，但不限于30cm；
4、步骤s2：第一层矩形单元的打印与制作。
5、步骤s201：通过深度相机，识别所述底部基层的尺寸、中心点，基于所述相机坐标系的三维坐标信息，以及识别各所述工件的种类、尺寸、位姿，并传输至机械臂的控制器；
6、步骤s202：通过所述控制器规划配筋轨迹与抓放动作，输出响应驱动机械臂及夹爪；
7、步骤s203：抓取并放置若干所述井字工件(3)，呈网格状均匀分布在所述底部基层上；
8、步骤s204：根据所述深度相机，识别出各所述井字工件(3)基于机械臂坐标系下的的位姿信息，并由所述夹爪调整至水平状态；
9、步骤s205：抓取并放置第一层所述横向筋(2)，将相应数量的所述横向筋(2)，水平放置于相邻所述井字工件(3)之间，所述横向筋(2)两端置于相邻所述井字工件(3)凹槽内的凹槽内，使其紧密连接，并记录各井字工件中心孔位置及孔内信息，为放置纵向筋做准备；
10、步骤s206：根据打印混凝土的硬化时间，以此来确定所述第一层混凝土构件的厚度，并进行第一层厚度打印；
11、步骤s207：抓取并放置与所述井字工件相同数量的所述纵向筋(1)，垂直插入所述第一层混凝土构件中，并直达各所述井字工件中心孔内，通过所述夹爪使其顺时针或逆时针旋转90度与所述井字工件紧固连接；
12、步骤s208：抓取并放置与第一层所述纵向筋(1)相同数量所述井字工件(3)，将所述井字工件(3)垂直放置于所述纵向筋尾端上，穿过工件所述中心孔与孔内挡板相接，通过所述夹爪使其顺时针或逆时针旋转90度与所述纵向筋(1)紧固连接；
13、步骤s3：重复第一层的打印与制作，实现多层叠加，以满足实际需求。
14、作为本发明的进一步改进：在步骤s204、s204中，抓取并放置所述井字工件后，根据所述深度相机检测工件位姿是否水平，将位姿偏差传入所述抓取机器人控制器，再驱动机械臂及所述夹爪调整工件位姿，直至水平，实现闭环控制。
15、作为本发明的进一步改进：抓取机器人控制器规划的轨迹均为笛卡尔空间规划，在所述夹爪抓取至放置所述井字工件与所述钢筋的过程中，末端所述井字工件与所述横向筋均保持水平姿态，所述纵向筋均保持竖直姿态。
16、作为本发明的进一步改进：所述横向筋(1)与井字工件(3)连接，是通过所述深度相机识别工件凹槽中凸台的方向与位置，并记录数据至所述抓取机器人控制器，驱动所述夹爪调整放置横向筋的姿态，使其两端凹槽与两端井字工件槽口内凸台耦合，放置深度达到预设值，即与所述槽口底面相接。
17、作为本发明的进一步改进：所述纵向筋(1)与所述井字工件(3)连接，是通过所述相机识别工件中心孔内凸台的方向与坐标，并记录数据至所述抓取机器人控制器，驱动所述夹爪调整插入纵向筋(3)的姿态，使其凹槽与凸台错位，垂直插入深度达到预设值后，即尾端表面与孔内所述挡板相接，将所述纵向筋(3)逆时针或顺时针旋转90度，使其凹槽与凸台耦合，使二者结构紧密连接。
18、作为本发明的进一步改进：所述井字工件(3)与纵向筋(1)连接，是通过相机识别第一层所述纵向筋凹槽的方向与坐标，并记录数据至所述抓取机器人控制器，驱动所述夹爪调整所述井字工件的姿态，使其底部凸台与凹槽错位，所述工件插入第一层所述纵向筋(1)尾端深度达到预设值后，即尾端表面与孔内所述挡板相接，将所述井字工件逆时针或顺时针旋转90度，使其凸台与凹槽耦合，使二者结构紧密连接。
19、作为本发明的进一步改进：所述的井字工件(3)有四个放置槽口，用于连接横向筋，所述的中心孔，为径向，并未贯穿，中间处留有挡板，两方向孔内均设有凸台，用于从上下两个方向连接纵向筋(1)；所述的横向筋(2)与纵向筋(1)两端均设有相同尺寸的凹槽，用于与各井字工件连接。
20、作为本发明的进一步改进：所述的执行流程中，所述夹爪抓取至放置所述井字工件与所述钢筋的过程中，所述井字工件与所述横向筋均保持水平姿态，所述纵向筋均保持竖直姿态；所述的配筋流程中，放置各钢筋与工件的动作方向，均为所述打印层的法线方向自上而下。
21、本发明还提供了一种3d打印混凝土的自动配筋装置，包括：3d混凝土打印机器人、抓取机器人、深度相机；所述3d混凝土打印机器人用于打印初始底部基层矩形单元；所述抓取机器人用于抓取并放置所述井字工件(3)、横向筋(2)、纵向筋(1)、井字工件(3)，所述深度相机用于识别、记录各所述工件种类、尺寸、位姿，并传输至所述抓取机器人控制器。
22、作为本发明的进一步改进：所述抓取机器人控制器包括：计算机视觉技术的深度相机，所述深度相机包括：相机、处理器和存储器，所述处理器与所述存储器电连接。
23、作为本发明的进一步改进：所述深度相机，能实现对所述钢筋及所述井字工件的检测、识别、定位、跟踪。
24、作为本发明的进一步改进：所述抓取机器人控制器与所述3d混凝土打印机器人控制器均通过总线或无线通讯方式连接，以实现数据交互。
25、与现有技术相比，本发明的有益效果是：
26、1.本发明通过深度相机与抓取机械臂协同进行配筋，实现对工件及钢筋的识别、记录、定位等操作，代替人工操作，不仅工作效率高，而且结构的准确性高。其中，每层各类钢筋的放置与打印有明确的先后顺序，二者互不干扰。在每层纵向筋插入前打印相应厚度混凝土，此打印高度根据混凝土硬化时间计算所得，在此高度下插入纵向筋会露出相应尾端用于后续层的井字工件放置。
27、2.本发明提出的一种3d打印混凝土的自动配筋方法及装置，层内配筋采用网格型结构，钢筋连接件采用井字结构工件，且分层打印与配筋，可以增强钢笼的空间整体性和有效性。
28、3.本发明提出的一种3d打印混凝土的自动配筋方法及装置，可通过混凝土3d打印机器人、抓取机器人和深度相机协同工作，进一步采用专用结构工件与特定的配筋方法，形成内部钢笼，从而实现混凝土构件纵向叠加，同时能大幅度提升混凝土的抗压强度与抗拉强度，且无人工干预，保障施工安全，同时可实现配筋流程自动化。
29、4.本发明提出的一种3d打印混凝土的自动配筋方法及装置，方法中针对打印设备，混凝土介质，配筋材料，机械臂与深度相机具有普遍适用性。
1.一种3d打印混凝土的自动配筋方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的一种3d打印混凝土的自动配筋方法，其特征在于，s203、s204中，抓取并放置所述井字工件(3)后，根据所述深度相机检测工件位姿是否水平，将位姿偏差传入所述抓取机器人控制器，再驱动机械臂及所述夹爪调整工件位姿，直至水平，实现闭环控制。
3.根据权利要求1所述的一种3d打印混凝土的自动配筋方法，其特征在于，所述横向筋(1)与井字工件(3)连接，是通过所述深度相机识别工件凹槽中凸台的方向与位置，并记录数据至所述抓取机器人控制器，驱动所述夹爪调整放置横向筋的姿态，使其两端凹槽与两端工件槽口内凸台耦合，直至放置深度达到预设值，即与所述槽口底面相接。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种3d打印混凝土的自动配筋方法，其特征在于，所述纵向筋(1)与所述井字工件(3)连接，通过所述相机识别工件中心孔内凸台的方向与坐标，并记录数据至所述抓取机器人控制器，驱动所述夹爪调整插入纵向筋(3)的姿态，使其凹槽与凸台错位，直至垂直插入深度达到预设值，即尾端表面与孔内所述挡板相接，将所述纵向筋(3)逆时针或顺时针旋转90度，使其凹槽与凸台耦合，使二者结构紧密连接。。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种3d打印混凝土的自动配筋方法，其特征在于，所述井字工件(3)与纵向筋(1)连接，是通过所述相机识别第一层所述纵向筋凹槽的方向与坐标，并记录数据至所述抓取机器人控制器，驱动所述夹爪调整所述井字工件的姿态，使其底部凸台与凹槽错位，所述井字工件插入第一层所述纵向筋(1)尾端深度达到预设值后，即尾端表面与孔内所述挡板相接，将所述井字工件逆时针或顺时针旋转90度，使其凸台与凹槽耦合，使二者结构紧密连接。
6.根据权利要求1所述的一种3d打印混凝土的自动配筋方法，其特征在于，所述的配筋轨迹均为笛卡尔空间下运动轨迹，在所述夹爪抓取至放置所述井字工件与所述钢筋的过程中，末端所述井字工件与所述横向筋均保持水平姿态，所述纵向筋均保持竖直姿态；放置各钢筋与工件的动作方向，均为所述打印层的法线方向自上而下。
7.根据权利要求1所述的一种3d打印混凝土的自动配筋方法，其特征在于，所述夹爪抓取至放置所述井字工件与所述钢筋的过程中，所述井字工件与所述横向筋均保持水平姿态，所述纵向筋均保持竖直姿态。
8.根据权利要求1所述的一种3d打印混凝土的自动配筋方法，其特征在于，所述的井字工件(3)有四个放置槽口，用于连接横向筋，所述的中心孔，为径向，并未贯穿，中间处留有挡板，两方向孔内均设有凸台，用于从上下两个方向连接纵向筋(1)；所述的横向筋(2)与纵向筋(1)两端均设有相同尺寸的凹槽，用于与各井字工件连接。
9.一种3d打印混凝土的自动配筋装置，其特征在于，包括：3d混凝土打印机器人、抓取机器人、深度相机；所述3d混凝土打印机器人用于打印初始底部基层矩形单元；所述抓取机器人用于抓取并放置所述井字工件(3)、横向筋(2)、纵向筋(1)、井字工件(3)，所述深度相机用于识别、记录各所述工件种类、尺寸、位姿，并传输至所述抓取机器人控制器。
10.根据权利要求9所述的3d打印混凝土的自动配筋装置，其特征在于，所述抓取机器人控制器包括：计算机视觉技术的深度相机，所述深度相机包括：相机、处理器和存储器，所述处理器与所述存储器电连接；所述深度相机，能实现对所述钢筋及所述井字工件的检测、识别、定位、跟踪；所述抓取机器人控制器与所述3d混凝土打印机器人控制器均通过总线或无线通讯方式连接，以实现数据交互。
