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材料的离散输送的制作方法

材料的离散输送
1.优先权声明
2.本技术要求2020年4月17日提交的序列号为63/012,069的美国临时专利申请的优先权，该美国临时专利申请通过引用全部并入本文。
3.领域
4.本技术涉及材料处理和输送。
5.背景
6.本技术公开的技术具有许多应用，范围从仓储中实践的自动化存储和取出系统(as/rs)到当箱子在传送带上移动时将物品放入箱子或从箱子中取出物品。这项技术最初设想是为了解决大规模增材制造中的关键障碍，其也可适用于其他用途。如本文所使用的，建筑3d打印是指一种类型的大规模增材制造，其使建筑行业的许多任务能够自动化。
7.建筑3d打印在过去几年中越来越受到关注，但尽管它已经受到关注，但作为常规建筑的替代方案，它的接受程度很低。建筑市场的不情愿主要是由于质疑这种新方法能否比常规的建筑方法表现出经济优势。现实情况是，建筑3d打印只建造了建筑物的混凝土外壳，这只构成了一个完工结构价值的大约20％至30％。因此，任何节省都必须是由于减少了劳动力和施工速度。然而，租赁或摊销、运输、安装、操作和维护相对昂贵的机器的成本是该技术潜在用户的主要阻碍。这可能是最初出现在一个多世纪前并在过去几十年中随着许多变化而不断发展的其他技术上得到验证的自动化方法(如用自动砌砖机建造外壳结构)从未成功地展示预期的市场成功的原因。
8.需要注意的是，自动砌砖机使用的砖和砂浆就像手工砌砖中使用的一样。然而，在建筑3d打印的情况下，主要使用的材料的选择比常规混凝土建筑使用的材料要明显更昂贵，而且性能往往不如常规混凝土建筑使用的材料。与自动砌砖机相比，在建筑3d打印中与机器相关的费用、所用材料的较高成本和较低性能的结合，使得这种新的建造方式在市场上的流行的任务加倍地受到挑战。
9.建筑3d打印正在艰难地与常规混凝土建筑行业竞争，但建筑3d打印只能使用砂浆，而不能使用混凝土。在诸如手工砌砖的常规应用中使用的砂浆，是由大约一份硅酸盐水泥和三到四份沙子(即只含有大约20％的水泥)组成的混合物。然而，用于3d打印的砂浆通常具有明显较少量的沙子(按重量计为20％至50％)，因此具有50％至80％的水泥。砂量低是由于难以通过软管和其他管道泵送含砂量高的湿混合物。与建筑3d打印相比，常规的混凝土建筑使用的是真正的混凝土，它是大约一份水泥、三份沙子(细骨料)和三份砾石(大骨料)的混合物。换句话说，常规混凝土只含有按重量计约15％的水泥。
10.由于许多技术、经济和环境方面的考虑，混凝土在建筑施工中比砂浆有几个优点。从技术角度来看，使用更多量的砂子和砾石提高了硬化材料的尺寸稳定性，降低结构开裂的风险，并提高所建结构的长期耐久性。从经济的角度来看，包括更多量的砂子和大骨料可以减少水泥含量，而水泥是水泥基混合物中最昂贵的成分。
11.低水泥含量混合物的第三个优点是最终减少了所建结构的碳足迹。硅酸盐水泥的生产会产生大量的二氧化碳。因此，在水泥混合物中包括更大量的沙子和添加砾石减少了
水泥含量，从而产生了一种更环保的建筑材料。
12.因此，如果建筑3d打印可以使用一种与常规混凝土非常相似的材料，那么新技术将处于更好的地位，以与常规混凝土建筑竞争。然而，目前建筑3d打印中使用的唯一材料转移模式是内径为1”至2”的相对较窄的橡胶软管。较厚的软管对材料通道的阻力较小，但需要较大的弯曲半径才能到达移动的喷嘴，而且由于较厚的软管容量较大，材料在其中的流动将较慢，因此增加了材料在软管内固化的可能性。新的材料输送系统是一种优越的替代软管输送的方案，软管输送有一些缺点，包括以下段落总结的缺点。
13.例如，通过软管泵送含有大部分沙子的水泥混合物会导致软管经常堵塞，而通过合理直径尺寸的软管泵送含有大量集料(砾石)的混合物由于会直接堵塞因而是不可能的。随着时间的推移，用于泵送水泥材料的软管的内开口直径逐渐变得越来越小，这是因为增加了凝固的混凝土薄层。软管润滑和清洁是繁琐的，需要时间。软管的管理，即将软管连接到移动的喷嘴，并防止软管的主体与机器或建筑结构碰撞，是一个问题，而与通过它的材料的选择无关。推动磨料建筑材料通过橡胶软管涉及到大量的摩擦力，这对材料在软管内的移动产生了反抗作用。此外，可3d打印的水泥材料的高粘度大大增加和加剧了这个问题。推动粘性混凝土的典型泵选择是螺杆泵，螺杆泵通常需要非常大的三相电动马达，其消耗非常高的电量。
14.因此，希望开发用于输送用于建筑3d打印的水泥材料的新方法、系统和设备，其克服现有技术的这些限制和其他限制。
15.概述
16.本概述和以下详细描述应被解释为完整的公开内容的补充部分，这些部分可包括冗余主题和/或补充主题。任何一部分中的遗漏都不表明完整的申请中描述的任何要素的优先级或相对重要性。各部分之间的差异可以包括替代实施例的补充公开内容、附加细节或使用不同术语的相同实施例的替代描述，这根据相应的公开内容应该是明显的。
17.用于将3d打印材料从材料源运输到移动的打印头的现有空中缆车输送技术，在此有时称为“craftram”，消除了在建筑规模的3d打印中通常用于材料输送的有问题的软管的需要。craftram可以运输各种各样的材料，而不管其成分如何，并且不受软管作为材料输送手段所施加的许多限制。这意味着材料可以包含任何成分，该成分可以由机器加工，以制造预期的物品。例如，运输具有高磨料砂和大砾石含量的湿的或干的水泥混合物与运输具有低砂量的砂浆混合物一样容易。
18.以下是craftram概念的一些显著优点：
19.craftram可以在应用地点快速设置，并且在打印操作期间对机器空间和建筑物围护结构的侵扰最小。
20.craftram可以运输预混合的湿材料，以便容易地供给到打印头。它还可以将预混合的干材料在即将供给至打印头之前在机器地点进行化学激活或热激活。craftram方法可用于在结构被3d打印时将一些部件嵌入或附加到结构。这些部件可以包括加强元件、管段、电气模块等。在打印机地点，机械臂可以从运输缆车接收这些部件，并将这些部件嵌入在正在打印的结构中或安装在正在打印的结构上。
21.craftram的另一个非常吸引人的优势是由于非常低的摩擦操作，因此它的能耗非常低。例如，在3d打印领域，操作craftram系统的一个或两个电动马达合计消耗不到混凝土
泵的1/20(对于选择的常规混凝土泵可以处理的材料，在输送速度类似的情况下)。
22.此外，craftram系统的使用可以容易地适用于其他应用，例如但不限于将离散的有效载荷输送到一个或更多个目的地的一维、二维或三维空间阵列中或从一个或更多个目的地的一维、二维或三维空间阵列中取出离散的有效载荷。这种系统的一个例子是将包裹存储到仓库的一个或更多个货架中和从仓库的一个或更多个货架取出，或者将离散剂量的成分输送到一个或更多个食品制备站。该应用可以超越静止位置之间的运输，还可以包括源或目的地或两者都可能在空间中移动，同时被接近以进行输送或取出的情况。在这些情况下，缆车在源处取走货物，在会合点(例如塔架顶)将货物传递给缆车，缆车将货物输送到目的地点。
23.在本公开的一个方面，一种材料输送系统用于将材料从至少一个材料源转移到至少一个材料目的地，其中至少一个材料目的地相对于至少一个材料源在至少一个空间维度上可移动。系统可以包括在至少一个材料源和至少一个材料目的地之间延伸的缆线机构。缆线机构可以包括至少一根缆线；缆车，其联接到至少一根缆线，使缆车能够在至少一个材料源和至少一个材料目的地之间移动；驱动机构，其控制缆车沿着缆线机构的位置；以及蓄力器机构(accumulator mechanism)，在至少一个材料目的地相对于至少一个材料源移动期间，蓄力器机构将至少一根缆线的张力维持在操作范围内。在一个方面中，至少一个材料目的地是用于建筑规模3d打印机的打印头，或者包括用于建筑规模3d打印机的打印头。
24.为了实现上述和相关目的，一个或更多个示例包括在权利要求中充分描述和特别指出的下文中的特征。下面的描述和所附的附图详细阐述了某些说明性方面，并且仅指示了可采用示例的原理的各种方式中的几种。当结合包含所有这些方面及其等同物的附图和公开的实施例考虑时，根据下面的详细描述，其他优点和新颖特征将变得明显。
25.附图简述
26.当结合附图时，本公开的特征、性质和优点将从下面阐述的详细描述中变得更加明显，其中类似的附图标记在整个说明书和附图中相应地标识类似的元件。
27.图1是图示了使用门式机器人结构操作的建筑规模的3d打印系统的图。
28.图2是图示了根据替代实施例的使用极坐标机器人结构操作的建筑规模的3d打印系统的图。
29.图3是图示了带有被动蓄力器的单缆线材料输送系统的示意图。
30.图4是图示了带有主动蓄力器的单缆线材料输送系统的示意图。
31.图5是图示了带有被动蓄力器的双缆线材料输送系统的示意图。
32.图6a-6d示出了针对门式输送部件的双缆线构造的半椭圆形缆车设计的各种视图和构造。
33.图7是示出了筒仓侧缆车的透视图，该筒仓侧缆车被构造为在材料转移操作期间旋转并使其本身与打印机侧缆车对准。
34.图8是示出了在材料转移操作期间旋转并与打印机侧缆车对准的筒仓侧缆车的透视图。
35.图9是示出了用于将缆车居中地定位在打印头处的料斗上方的机构的透视图。
36.图10a-10b是示出了用于将缆车居中地定位在打印头处的料斗上方的替代机构的透视图。
37.图11是示出了向具有陡峭式倾斜的系统中使用的缆车施加动力的机构的透视图。
38.图12示出了带有导风挡板(wind-diverting apron)的无人机材料输送系统。
39.详细描述
40.现在参照附图描述各个方面。在以下描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节以提供对一个或更多个方面的透彻理解。然而，很明显，可以在没有这些具体细节的情况下实践各个方面。在其他实例中，以框图形式表示公知的结构和装置，以促进对本公开的新颖方面的关注。
41.通过空中缆车运输物质或乘客的概念是已知的。第一个记录的空中缆车系统于1644年在欧洲被用来在河流上方运输土壤，且由马驱动。此后，空中缆车的应用和安装不胜枚举。然而，在已知的技术中，空中缆车在其间行进的源和目的地都是固定的位置。然而，在craftram中，发生卸载的目的地可以在三维空间中运动。此外，正如一些craftram应用(如仓储)中所指出的那样，货物源和目的地的位置都可以是可变的。
42.图1示出了由桥门式混凝土打印机机器人102实施的craftram输送系统100。注意，单个缆车104被示出在四个不同的位置，从右边起：接收来自混合器106的材料的位置104-1，向塔架108爬升的位置104-2，接近打印机102的位置104-3，以及将材料卸载到打印头料斗中的位置104-4。
43.在图1所示的构造100中，打印头112及其进入材料料斗在门架桥接件114上移动。对于建筑物110的每一建造层，桥接件沿着两个门架柱116、118逐渐向上爬升，并且整个门架在安装在地面上的两个轨道120、122上移动，以允许打印头112在建筑围护结构内行进。
44.材料装载地点106通过悬挂和移动缆车的缆线连接到移动的打印头。塔架108用于提升缆线并保持缆线足够高，以便缆车不会与正在建造的结构的墙的顶部碰撞。
45.craftram还可以与其他机器人构造一起使用，如悬臂门架、关节臂机器人、极坐标机器人等。对于某些机器人构造，例如在scara式的极坐标机器人中，机器人的主杆可以同时作为craftram塔架。在这种情况下，使用craftram只需要最少的额外硬件。例如，图2示出了替代系统200，其中使用安装在漫游车上的(rover-mounted)scara式机器人202来移动和定位打印头204(即，混凝土挤出机喷嘴)。
46.施工地点处的筒仓206是干材料源，材料可以从该干材料源自动输送到位于筒仓下方或附近的混合器208。在湿式输送的情况下，干燥的材料和水根据需要引入混合器。在干材料输送到打印机的情况下，筒仓直接将适当的剂量供给到缆车中。然后，缆车将干材料运送到打印头204的地点，并且通过在即将打印前向干材料中添加水并混合材料，在机器人上进行湿混合。
47.在湿材料输送或干材料输送的情况下，目的是通过缆车以一种方式将材料从筒仓地点输送到位于移动打印头的顶部的料斗，该方式使在料斗中总是有多余的材料，从而打印头可以在相继的输送之间连续挤压。这要求料斗的容量足够大，以在缆车在运输过程中和在缆车装载新批材料以将其带回打印机时维持向打印头供应材料。
48.请注意，从筒仓地点到craftram塔架顶的材料输送的替代方式也是可能的。例如，材料的竖直提升可以使用附接到塔架的斗式提升机来完成。这种情况适用于双缆车构造，在此构造中，材料被传递到塔架顶处的缆车。
49.设计替代方案-缆车数量：craftram系统可以构造为用于craftram的单缆车构造
或双缆车构造。在图1中所示的单缆车情况下，整个系统中只使用一个缆车，其在装载点和卸载点之间运输，然后返回以开始另一个循环，每半个循环通过一次塔架。在塔架顶处可使用旋转滑轮组缆线保持机构或等效机构，以便于改变打印头的位置。在缆线直达线路不构成干扰已建造的结构或其他障碍物的风险的情况下，可省略塔架。这种情况要求材料装载点高于要建造的结构的最大高度。
50.在双缆车实施例中，第一缆车“缆车-1”在装载点和塔架顶之间操作，而第二缆车“缆车-2”在塔架顶和移动的有效载荷目的地之间操作。当两辆缆车在塔架顶可用时，缆车-1将其载荷转移到缆车-2，紧接在载荷转移之后，每个缆车走自己的独立路径。塔架顶上的交会是基于一种简单的安排，即先到达塔架顶的缆车等待另一个缆车的到达，一旦两个缆车都可用，就立即转移载荷。当缆车-1位于缆车-2的顶部时，其底部处的门打开，载荷在重力的作用下被倾倒到缆车-2中。在与缆车及其相关机构有关的部分中，解释使缆车-1的取向对准成与缆车-2的变化取向一致的机构。由于缆车的不粘的表面衬里，材料转移几乎是瞬间发生的。双缆车方法的优点可包括更快的材料输送速度，其材料输送速度可能是相当的单缆车方法的两倍快。
51.在诸如仓库的一般应用中，缆车的源和目的地位置之一或两者可以是空间中的静止点或移动点。
52.设计替代方案-缆线数量：下面描述了两种单缆线构造和一种双缆线构造。
53.a1.采用被动缆线蓄力器的单缆线构造：图3示出了系统300的构造，其中缆车302悬挂在单根缆线304上。在该构造中，打印机地点相对于缆车移动控制可以不是被动的。在这种情况下，缆车移动可以由伺服马达控制的绞盘306(伺服绞盘)控制，该绞盘将安装在打印头地点处。伺服绞盘通过感测马达电流来维持缆线上所需的恒定张力，马达电流与缆线张力成正比。
54.图3示出了被动缆线蓄力器组件312，其功能是：a)提供固定的所需拉力以维持固定的缆线张力，使得当装载的缆车在缆线上穿过时仅发生可接受量的缆线下垂，以及b)当输送目的地(即打印头料斗)越来越远离材料装载点时释放缆线以允许缆线的总长度延伸，以及当打印头(目的地点)越来越靠近材料源时拉紧缆线的松弛部分。为了将缆车送到材料源，伺服绞盘退绕缆线并保持将缆线释放，该缆线由被动蓄力器拉紧(拉动)，直到缆车到达材料源310。此时，取决于打印头是越来越靠近还是越来越远离装载点，伺服绞盘以这样的方式被控制，即伺服绞盘以与3d空间中的打印头速度协调的速度释放或拉紧缆线。例如，当缆车在材料源处装满时，打印头远离材料源的移动应拖动缆车远离装载站。协调可以通过在装载点处安装传感器来实现，该传感器向控制器发送装载状态信号，该控制器又使伺服绞盘保持释放该缆线，直到缆车装满并准备向打印头返回。利用一种结合打印头实时坐标及其即时轨迹的算法，可以用来实现更平滑的控制。根据缆车的容量和混合器送料的速度，装载可能不会超过几秒钟。
55.当缆车装满时，伺服绞盘将缆车一直拉动到打印头料斗地点，感测缆车的到达，并在迅速输送载荷后，伺服绞盘退绕缆线，使得缆车可以通过缆线蓄力器的拉力返回材料源。
56.关于缆线蓄力器的说明：如图3所示，缆线蓄力器可以由两组滑轮312、314制成。上部组314固定到静止结构，而下部组312可由线性致动器(被动地或主动地控制)、恒力弹簧或简单地由自重向下推动。线性致动器的例子是气动活塞缸和电动线性致动器。重物是最
不可取的，因为它们具有惯性，会抵抗突然的移动。此外，恒力弹簧的弹性在高循环(通常5000循环是极限)时会恶化。电动致动器消耗能量。在这种情况下理想的选择往往是气动致动，这是示出在图3中的选择。一旦气动缸在所需压力下充满加压空气，如果气动缸连接到容量大大高于其容量的气罐，则气动缸保持相对静止的线性柱塞力，而不需要将更多的空气泵入气动缸，除非存在漏气。因此，使用气动缸的缆线蓄力器可以被认为是被动蓄力器，其操作不需要外部能量。所需的缆线张力可以由气动缆线蓄力器通过最初通过泵送空气增加空气压力直到达到所需的缆线张力来维持。
57.a2.使用机动绞盘作为主动缆线蓄力器的单缆线构造：在该构造中，如图4所示，被动缆线蓄力器308被主动机动绞盘系统408所取代，其优点是比被动缆线蓄力器紧凑得多且不那么复杂。这里绞盘与传感器412联接并放置在材料源地点410处(或放置在任何其他点处，使得缆车在材料源和目的地之间的行进保持不受阻碍)。传感器测量缆线404的张力并将其报告给简单的缆线张力控制器414，如果缆线张力达到临界水平，则缆线张力控制器414关闭绞盘马达416，并且当张力下降到低于另一临界值时，则打开马达416。对于两个临界值之间的任何张力量，控制器不改变马达的状态。换句话说，当缆线的张力降得太低时，绞盘在将缆线收紧到期望的程度的方向上转动，而当传感器报告缆线紧度太大时，绞盘退绕以将缆线紧度保持在控制范围内。绞盘和传感器可以直接联接，以独立于系统控制器在闭环反馈回路中协作操作。
58.当传感器412报告紧度下降时，这可能意味着a)机器人上的伺服绞盘406正在退绕其缆线以将缆车402送到装载点，b)打印头正在靠近装载点，因此导致缆线松弛，或者c)缆车刚刚将其载荷卸放到料斗中，并变得比其装载状态轻得多。在这些情况中的任何一种情况下，都必须维持目标缆线的紧度。
59.机动绞盘408执行蓄力器的功能，但它所占用的体积小得多，然而，与蓄力器不同，蓄力器是被动的，即，不使用能量并且总是准备发挥作用而不需要控制，机动绞盘消耗能量并需要控制。为了节省能源，使用蜗轮传动装置418与绞盘驱动马达是明智的，因为蜗轮传动装置不可以被反向驱动，因此当达到所需的缆线张力时，马达正好可以关闭。相反，如果使用可反向驱动的变速箱，马达将必须不断用电来对抗缆线的力，以正好保持其张力在所需的水平，即使没有缆车移动时也是如此。
60.此外，机动绞盘缆线蓄力器的可靠性取决于马达的可靠性和缆线张力传感器的可靠性。在故障情况下，可能会发生太多的缆线松弛或过度的缆线拉力(其可能导致缆线断裂)。故障的两种后果都可能导致缆车从头顶上掉到地面上，在下行的路径上可能会撞上正在打印的结构的新建成的墙顶并破坏建筑。为了提高模块的可靠性，还可以通过连续监测使绞盘滚筒转动的伺服马达所吸收的电流来同时感测缆线张力。缆线张力越高，绞盘马达所吸收的电流就越高，但这只有在使用可反向驱动的传动装置而不使用蜗轮传动装置时才可能。
61.伺服绞盘可以用来代替在本应用中所谓的机动绞盘，然而，伺服系统是非常灵敏的，可以准确地产生广泛的速度范围。因此，伺服系统的成本更高，并且控制器的电子器件也更复杂。驱动仅预期用于维持缆线中的一定张力的绞盘不需要这种复杂程度。
62.b.双缆线构造：图5示出了示意图，其中示出了机器地点506和装载点510(如果使用单个缆车，装载点可以是筒仓地点，或者当使用两个缆车时，装载点可以是在其中发生载
荷转移的craftram塔架顶)。在这种构造中，使用了双缆线布置。除了为缆车502提供更多的稳定性之外，该构造还具有额外的重要优点，即允许打印机器人相对于缆车位置的控制是被动的，并且仅由不需要安装在机器上的驱动滑轮来处理缆车的移动和定位。在这里，缆车悬挂在两根缆线股线上，每侧一根，但缆车只在一侧锁定到缆线股线中的一根，并且缆车在缆车的另一侧通过两个或更多个滑轮安置在第二根缆线股线上。
63.图5中示出了被动缆线蓄力器组件508(为了简单起见，未示于图1中)，其功能与前面在具有被动蓄力器的单缆线系统的情况下所描述的功能相同。
64.为了简单起见，我们假设机器人和打印头是静止的。在这种情况下，装载点上的机动大滑轮514可以通过在相应方向上旋转而在任一方向上移动缆车。当缆车在一个方向上移动时，返回缆线在缆车滑轮下方在相反的方向上移动，缆车滑轮安装在缆车的与安装缆线的侧相对的一侧。
65.缆车的运输和输送通常在打印头和/或机器人移动时进行。在这种情况下，如果打印头保持离开，则缆线蓄力器被动地释放更多的缆线，或者如果打印头越来越靠近装载点，则缆线蓄力器将拉紧缆线中的松弛部分。请注意，当绞盘试图将缆车送到打印头，而打印机正在远离craftram塔架时，绞盘速度应该足够高，以赶上打印头的移动。缆车的速度与打印头移动的速度的协调是由控制系统完成的，该控制系统总是知道绞盘的转速和打印头的移动方向和速度。该控制系统改变驱动滑轮速度，使缆车及时和平稳地到达和离开打印头地点。
66.当较低的层正在打印时，逐渐升高的伸缩塔架可用于最小化缆车的行进距离。在这种情况下，塔架在结构正在建造时上升。上升的塔架系统可能需要单独的缆线蓄力器模块用于缆线的筒仓侧。
67.驱动滑轮槽可以衬有高摩擦材料，如橡胶，以最小化缆线滑移。此外，机动绞盘(其中缆线线圈的一端缠绕缆线而另一端退绕缆线)可以用来代替驱动滑轮。绞盘的优点可包括较高的摩擦力，但缺点可能包括机器人的较长移动时缆线线圈横向移动过大。
68.缆车设计：缆车可具有不同的几何形状，如矩形、圆柱形、椭圆形等。设计的选择可取决于载荷的体积、缆线数量(单根或双根)的选择、在双根缆线的情况下的缆线之间的期望距离等。
69.图6a-6d示出了用于craftram的双缆线构造的半椭圆形缆车600的设计。参照图6a-6b，旋转式托架602附接到缆车的一侧，缆线606附接在其中一个托架上，在另一托架的每一端处安装滑轮。这些滑轮置于缆线606的另一段上。这样，两个缆线段在运动中沿相反的方向移动，几乎同等地承受缆车的重量。
70.如图6c-6d所示，缆车门608位于底部，并由闩锁保持关闭，弹簧加载操纵杆610可释放闩锁，弹簧加载操纵杆610在返回到初始位置时还可将门拉动成关闭。在目的地点，当操纵杆撞上障碍物并在缆车停在目的地地点之前被移动的缆车的力量推回时，门就会打开。图6d示出了操纵杆处于被推动的状态。除了使用操纵杆方法外，其他替代方法包括通过安装在打印头地点的适当位置处的磁铁的吸引来解锁门的闩锁，或当缆车移动得靠近倾倒地点时，闩锁直接撞上相对静止的障碍物。同样，当缆车开始从卸载地点返回时，门可以通过接触障碍物关闭。图6c示出了门关闭，并且图6d示出了门608打开。
71.图7示出了材料源侧缆车700，除了用于在塔架顶上的材料转移点处对准的附加旋
转特征702之外，材料源侧缆车700类似于材料目的地缆车600。通过将缆车容器安装在大轴承内而实现的旋转特征可用于将上部缆车对准下面的材料目的地缆车的随机角度方向，如下文所解释的。操纵杆704用于当缆车到达塔架顶时解锁缆车出口门。托架706及其在缆车的另一侧上的对应物将连接到缆线，并意味着提供旋转作用，以在缆车沿倾斜轨迹移动时保持缆车水平。
72.材料转移点处的缆车对准：
73.图8示出了在转移点(即塔架顶)处的两个缆车。静止结构806安装在塔架桁架上并保持用于在材料源和塔架顶之间移动缆车700的缆线808的滑轮。如上文所提到的，接收材料目的地缆车600的平台812通过连接到打印头地点的缆线810的拉力被动地旋转，以便保持与这些缆线的方向对准。平台812还具有位于上部缆车700的下部区部的水平面处的柔性导轨(为了简单起见在图中未示出)，以相当精确地迫使上方的缆车的容器转动并与下部缆车的取向对准。当缆车700已经停在塔架顶上时，通过平台812的旋转力，或者当缆车600已经停在平台812内时，通过缆车700到达塔架顶处并被推入导轨中时缆车700的移动，可以发生该对准动作。当操纵杆704压在安装在结构806上的横杆(未示出)上时，上部缆车的出口门打开。在图8中，缆线804循环通过可安装在craftram塔架802上的缆线蓄力器，并通过滑轮系统返回。
74.应注意，在圆柱形或圆锥形缆车容器的情况下，缆车对缆车的角度对准是不需要的。
75.缆车在目的地的对准：根据打印头的位置，缆车可从各种角度到达打印头地点。因此，需要一种机构来引导缆车，使得在卸载时，缆车的中心竖直轴线几乎与缆车应该向其倾倒材料的料斗的中心轴线重合。在这种布置中，料斗开口尺寸将是最小的。图8示出了与打印侧缆车600对准的源侧缆车700，打印侧缆车600在材料转移操作期间在塔架802的顶部处从上部缆车700接收材料。下部缆线804延伸到如上文所述的蓄力器机构。
76.图9、图10a和图10b示出了使用缆车定位叉906的定位机构900，缆车定位叉906在缆线的力的作用下可被动地绕竖直轴线914和水平轴线916枢转。参照图9，定位机构900安装在主干结构910上，主干结构910安装在打印头平台上，在这种情况下打印头平台在门式机器人的桥接件902上往复运动。打印头(未示出)应该位于材料料斗904下方。主机构将类似于其他式样的机器人。
77.参照图9，在该机构中，缆车定位器叉906通过始终处于张紧状态的craftram缆线912的侧向力沿着竖直和水平轴线对准。缆线在安装在叉906的两个末端上的两个辊之间和下方穿过。对准叉906通过铰链916自由枢转，铰链916安装在安装结构上，安装结构本身可绕打印头组件的中心竖直轴线914相对于固定的框架910枢转。因此，叉和缆线返回滑轮918(示出了两个中的一个)被动地保持在缆线的方向上对准。在这种布置中，到达的缆车首先经过传感器，该传感器向运动控制单元发送减速信号，并且当安装在叉机构上的另一个传感器向控制单元发送停止信号以便在料斗的中心上方相当准确地停止缆车时，缆车停止。在停止位置之前不久，解锁机构通过压在安装在叉上的障碍物上而被动地打开缆车出口门。其他被动或主动的机构可以用来打开和关闭缆车门。
78.图10a和图10b示出了当缆线具有接近水平取向时(图10a)和当缆线具有下降取向时(图10b)处于接近水平的位置的缆车定位系统900的视图。如两种情况所示出的，缆车居
中地位于料斗上方。
79.陡峭式倾斜/下降的情况：在双缆线的情况下，缆车只在一侧连接到缆线，而缆车在另一侧通过附接到其的滑轮置于返回缆线上。只要倾斜/下降的角度不太陡，缆车在这种双侧归并的(lump-sided)拉力下可以保持相当笔直，否则，缆线拉力应施加在缆车中心位置附近。图11示出了机构1100，该机构1100可以通过以下方式实现：将拉动缆线1102连接到缆车的边缘中心，并且将返回缆线1104围绕缆车布线成使得返回缆线1104不会在缆车的顶部开口上方拉伸，否则返回缆线1104会在从上方转移到缆车的材料的路径上。引导滑轮1106在支撑框架1108上的布置可用于将返回缆线1104围绕料斗1110引导。
80.使用craftram输送干材料的注意事项：在craftram中输送干材料的主要问题是减少灰尘。只要干燥的材料在缆车中，就没有灰尘的问题。每当材料被转移到缆车和从缆车被转移时，灰尘就成了一个问题。例如，当将干材料倾倒到打印机料斗中以被混合且在打印机地点处被挤压时，料斗的顶部上应该有一个开口，该开口优选带有滑动门，料斗的顶部应与缆车底部的几何形状相匹配。在这种情况下，缆车底部处也应该有滑动门。由于缆车在料斗上方到达可变的高度，因此缆车应轻轻地(例如使用机械阻尼器)下降，并且以使其滑动门精确地位于料斗滑动门的顶部上的方式准确地降落在料斗的顶部上。此时，两个门可以由机动致动器同时滑动到打开位置，以将干材料从缆车转移到料斗，而不将干材料暴露在露天。
81.无人机输送离散空中材料：建筑3d打印的另一种离散空中材料转移是通过一个或更多个空中无人机将材料从源地点直接输送到打印头料斗。图12示出了这样的无人机1200的示例，该无人机1200包括用于保持要转移的材料的桶1202、用于使转子下行气流远离桶转向的挡板1204、以及转子组件1206。在这种情况下，无人机总是去固定的位置拾取装满材料的桶，并立即寻无人机将其桶应该卸载到的打印头料斗。在这种情况下，打印头料斗的位置可以通过无线通信连续地报告给无人机。替代地，可以在打印头地点处安装gps装置或本地位置定位器，以实时发送打印头的位置。无人机可能使用位置信息定位打印头料斗并在其上方盘旋。还可以在料斗地点标记视觉目标标志，以便无人机摄像机识别材料有效载荷的精确输送。
82.无人机1200将有足够的能力来携带像混凝土这样的材料，无人机会产生强大的向下气流，这可能会扰乱和扭曲新制作的墙层。为了减轻该问题，如图12所示的轻的导风挡板1204可安装在无人机下方，以侧向而不是向下引导气流。替代地，螺旋桨的轴可以从顶部向内倾斜，以提供上反角(positive dihedral)，这也增加了无人机的稳定性。
83.无人机可以使用可充电电池，并迅速着陆，在自动电池交换站将其几乎放完电的电池与充满电的电池交换。在使用至少两个无人机的情况下，电池电量低的无人机可以在电池充电站对其电池快速充电，同时充电的无人机执行材料输送操作。替代地，无人机可以被系留，以通过电缆接收不间断的电力。然而，应作出特别规定，以防止缆线与正在建造的结构的墙壁顶部上的新沉积的材料碰撞。一种方法可以是放置恒力缆线回缩线轴，该线轴将放置在高点处，如筒仓的顶部或施工地点旁边的专用塔架。线轴可以根据缆线张力卷绕或退绕电缆。在这种情况下，当结构的下层正在打印时，电缆可能会与无人机螺旋桨碰撞，这将需要在无人机螺旋桨组周围安装轻质护罩(light-weight shield)，该轻质护罩可以由圆形碳纤维管制成。在任何情况下，无人机上的更高的操作电压，可能具有变压器，将优
选要求更细且因此更轻和更低张力的电缆。
84.可以部署一架或更多架无人机。在多于一架无人机部署的情况下，每架无人机必须有足够的感官机构(视觉、声纳、声学等)，以避免与其他无人机碰撞。无人机输送可以非常快，但与其他craftram方法相比，它的主要缺点是能耗过高。
85.除非本公开另有明确要求，否则术语“一个(a)”和“一个(an)”定义为一个或更多个。如本领域普通技术人员所理解的，术语“大体上”被定义为被指定的内容的大部分但不一定全部(并包括被指定的内容，例如，大体上90度包括90度，大体上平行包括平行)。在任何公开的实施例中，术语“大体上”、“近似”和“大约”可以用“在指定的内容的百分比内”来代替，其中该百分比包括0.1％、1％、5％或10％。
86.此外，以特定方式构造的装置或系统至少以该方式构造，但也可以以除具体描述的那些方式之外的其他方式构造。
87.术语“包括(comprise)”(和任何形式的包括，例如“包括(comprises)”和“包括(comprising))”、“具有(have)”(和任何形式的具有，例如“具有(has)”和“具有(having)”)、“包含(include)”(和任何形式的包含，例如“包含(includes)”和“包含(including)”)和“含有(contain)”(和任何形式的含有，例如“含有(contains)”和“含有(containing)”)是开放式连接动词。因此，“包括”、“具有”、“包含”或“含有”一个或更多个元件的设备具有这些一个或更多个元件，但不限于仅具有这些元件。同样，“包括”、“具有”、“包含”或“含有”一个或更多个步骤的方法具有这些一个或更多个步骤，但不限于仅具有这些一个或更多个步骤。
88.设备、系统和方法中的任何一个的任何实施例可由所描述的任意步骤、元件和/或特征组成或基本上由所描述的任意步骤、元件和/或特征组成，而不是包括/包含/含有/具有所描述的步骤、元件和/或特征中的任何一个。因此，在任何一项权利要求中，术语“由
……
组成”或“基本上由
……
组成”可以代替上面所述的任何一个开放连接动词，以改变给定权利要求的范围，而不是使用开放连接动词。
89.提供对所公开的方面的先前描述以使本领域任何技术人员能够实现或使用本公开。对这些方面的多种修改对于本领域技术人员将是明显的，并且本文界定的一般原理可以应用于其他实施例而不偏离本公开的精神或范围。这样，本公开不意图局限于本文所示的实施例，而是应符合与本文公开的原理和新颖特征一致的最宽范围。

技术特征：

1.一种材料输送系统，用于将材料从至少一个材料源转移到至少一个材料目的地，其中所述至少一个材料目的地相对于所述至少一个材料源在至少一个空间维度上是可移动的，所述系统包括：缆线机构，其在所述至少一个材料源和所述至少一个材料目的地之间延伸，所述缆线机构包括：至少一根缆线；缆车，其联接到所述至少一根缆线，使所述缆车能够在所述至少一个材料源和所述至少一个材料目的地之间移动；驱动机构，其控制所述缆车沿所述缆线机构的位置；和蓄力器机构，其在所述至少一个材料目的地相对于所述至少一个材料源移动期间将所述至少一根缆线的张力维持在操作范围内。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述缆车附连到所述缆线上的某个位置，并且所述驱动机构通过选择性地卷绕或退绕所述缆线来控制所述缆车的位置。3.根据权利要求2所述的系统，其中，当所述缆车接近所述材料源或所述材料目的地时，所述驱动机构降低所述缆车的速度。4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述蓄力器机构被构造为累积和分配一段长度的所述缆线，以便将所述缆线的张力维持在操作范围内。5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述缆线的张力由独立的缆线张力传感器或检测所述驱动机构的功率消耗的传感器中的至少一个来测量。6.根据权利要求5所述的系统，其中，计算机将缆线张力或相对张力的变化或变化率与已知事件相关联，所述已知事件包括缆车返回的开始、有效载荷材料的添加或卸放、或所述材料输送系统的紧急故障。7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述缆车在所述至少一个材料源和所述至少一个材料目的地之间穿过塔架的顶部，并且所述塔架的所述顶部处于足以避开所述缆车或所述缆线在没有所述塔架的情况下可能遇到的任何潜在障碍物的高度。8.根据权利要求7所述的系统，还包括在所述塔架的所述顶部处的机构，所述机构旋转以顺应所述材料目的地的变化位置，以便于所述缆车容易地移动到所述塔架的所述顶部和从所述塔架的所述顶部移动。9.根据权利要求7所述的系统，其中，所述塔架的高度是可调节的，以确保所述缆车避开其路径中的任何障碍物，同时使所述缆车所穿过的总距离最小。10.根据权利要求1所述的系统，包括多于一个缆车，每个缆车在其自身的缆线系统上运行，所述缆线系统在空间上串联连接，并且所述串联系统最终连接在所述材料源和所述材料目的地之间，其中每对相继的缆车停在缆车对共用的材料转移点处，以将材料从一个缆车转移到另一个缆车。11.根据权利要求10所述的系统，其中，承载材料的上部缆车到达并停在用于接收材料的下部缆车的停靠位置的正上方并对准用于接收材料的下部缆车的停靠位置，并且一旦所述上部缆车和所述下部缆车停在所述材料转移点处，所述上部缆车的门打开并将材料卸放到所述下部缆车中。12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述材料是干粉末或干混合物，所述上部缆车
在所述材料转移点处稳固地停靠在所述下部缆车上方并与所述下部缆车接触，并使用稳固的打开机构来转移所述材料，以便减轻对环境的任何灰尘污染或材料损失。13.根据权利要求10所述的系统，其中，所述至少一个材料源和/或所述至少一个材料目的地中的任何一个或两者是静止的或运动的。14.根据权利要求10所述的系统，包括三个或更多个缆车，每个缆车在其自身的缆线系统上运行，并且所述缆车在单个材料转移点处会合，因此能够从多于一个材料源收集材料或能够将材料输送到多于一个材料目的地。15.根据权利要求4所述的系统，其中，所述蓄力器机构包括一个或更多个滑轮，所述滑轮安装在能够相对于彼此移动的两个排架上，所述缆线穿过所述排架，使得所述排架的相对运动增加或消除所述材料输送系统可用的总缆线长度。16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述相对运动由自重、弹簧、气动缸或主动线性致动器中的至少一个致动。17.根据权利要求1所述的系统，其中，在所述材料目的地处的枢转机构接收所述缆车并使所述缆车对准以停靠，并且单独的系统触发所述缆车的出口的打开动作以在所述至少一个材料目的地处输送所述材料。18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述材料是干粉末或干混合物，所述缆车在所述至少一个材料目的地处稳固地停靠在所述接收料斗上方并与所述接收料斗接触，并且使用稳固的打开机构来转移所述材料，以便减轻对环境的任何灰尘污染或材料损失。19.根据权利要求1所述的系统，其中，所述缆车的一个或更多个内表面衬有不粘涂层，以防止所述材料粘到所述内表面。20.根据权利要求1所述的系统，其中，所述缆车通过双缆线布置悬挂，其中一根缆线从所述源延伸到所述目的地，并且在环绕至少一个滑轮之后形成返回所述源的第二缆线返回线，并且所述缆车安装在两根缆线上，使得所述缆车在其一侧固定到一根缆线，并且能够使用安装在其相对的一侧上的滑轮在另一根缆线上滑行，因此保持由两根缆线支撑。21.根据权利要求20所述的系统，其中，所述缆车由位于所述缆车的质心上方的枢转机构上的框架支撑，使得当所述框架枢转远离大体上水平的方向时，所述缆车大体上保持在水平面处，其中所述框架在其相对的两侧连接到在所述至少一个材料源和所述至少一个材料目的地之间延伸的所述缆线的端部，并且所述缆线返回线围绕所述框架上的一组滑轮经过，以避免穿过所述缆车的顶部。22.根据权利要求20所述的系统，其中，所述缆线使用在所述源处的至少一个滑轮和在所述目的地处的至少一个滑轮形成完整的环路。23.根据权利要求21所述的系统，其中，在所述至少一个材料源或所述至少一个材料目的地处的所述滑轮中的任一个形成用于所述材料输送系统的所述驱动机构。24.根据权利要求1所述的系统，其中，所述缆车输送建筑材料以及诸如加固器具、管路器具、电气器具、平铺器具或其他与建筑相关的器具之类的部件。25.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个材料目的地包括建筑规模的3d打印机的打印头。26.一种材料输送系统，包括将材料从源输送到目的地的至少一个空中无人机，所述无人机包括风减缓机构，所述风减缓机构将所述无人机的转子洗流转向成远离正在建造的结
构上的新材料。27.根据权利要求26所述的系统，其中，所述风减缓机构包括风减缓挡板，所述风减缓挡板使所述转子洗流转向成远离所述材料。28.根据权利要求27所述的系统，其中，所述风减缓机构包括倾斜的转子叶片，使得从所述倾斜的叶片中产生的所述转子洗流被引导成远离所述材料。29.根据权利要求26所述的系统，其中，所述无人机被系留到电源，所述空中无人机包括围绕其螺旋桨的轻质护罩，以避免系线缠绕在所述螺旋桨上，并且其中，所述系线经由安装在升高位置处的不断缩回的线轴进行布线，以防止所述系线在所述无人机在所述材料源和所述材料目的地之间操作时接触任何障碍物。

技术总结

建筑3D打印技术尽管与传统的建筑实践相比有望提供成本、速度和环境效益，但由于通过软管或管道泵送水泥材料，因而效率低，材料输送往往很麻烦。本申请解决了在源和移动目的地之间一致的和离散的有效载荷输送的需要。本发明描述了一种空中缆车输送系统，该空中缆车输送系统提供从材料源到建筑3D打印机的移动目的地打印头的实时、按需和离散的材料运输。这种材料的离散输送适用于其他应用，并有益于其他应用，如所描述的。如所描述的。如所描述的。