采用剪式升降机构的多功能家用设备的
设计，分析和开发
1、Divyesh Prafulla Ubale 2、Alan Francy 3、N.P Sherje
摘要：使用绳索、梯子使人们达到高处的传统方法受到很多限制（时间和精力的消耗，舒适度，可以携带的负载量等），同时在使用梯子的情况下也有跌倒的风险，因此液压剪叉式升降机旨在克服所有这些困难。 本文的主要目的是设计和分析并为老年人构建一个的多功能家用设备，以便他们能够高效地进行日常活动。此外，设备应该小巧便携并价格划算。 剪叉式机构能够实现的起升高度距底层1米。 本文也完成了剪叉式机构的屈曲和弯曲失效分析。
关键词：剪叉式机构，液压，多功能的，低碳钢（MS），三维设计。
1.介绍
随着科学技术的不断发展，越来越多新技术应用于起重机械设计。这个项目旨在使设备具有多功能性，易于使用/操作，性价比高和便携，以便于它在家中的使用，可能还会应用于医院，酒店和其他常见场所。老年人在日常活动时会面临许多需要解决的问题，因此这种设备被设计成这种方式（例如用电池遥控操作），它们可以轻松地在家里移动并进行日常活动。在设计这个设备时所有的安全注意事项都考虑到了。剪式升降机构旨在提升人到自己想要的高度。剪式升降机构是一种通过液压来伸展或缩回平台的装置。该延伸或位移运动是通过一个或多个液压缸施加力完成。该力导致十字型结构的延伸。在需要降低平台时通过液压缸的回缩就可实现。
2.材料选择
在对不同材料的强度和经济性的深入调查后发现，低碳钢（MS）是该装置建造最合适的材料。此外，不锈钢（SS）也可以用于平台顶部以防止锈蚀，并使装置获得更佳的外观。同样也可以在顶部使用2毫米厚的铝板作为平台材料，底座采用2毫米厚的铝板。
3.设计
3.1设备的软件设计
剪叉式升降平台存在多种结构，但在升降平台的所有结构中最主要的成分就是上部分的平台，剪叉对的数量以及底部平台。在我们的设计中，我们使用了车轮电机连接在后面，以便从一个地方移动到另一个地方。 剪叉对的数量和液压缸不同的位置安排，都会导致平台的提升高度不同。 我们实现了上部平台距离水平面提升高度1米。 上平台尺寸大约是750x500 mm2，这就足够了承载很大的额定负载。 有三种底部平台通过拖动来移动的方式，通过远程遥控和从后部施力。 底部平台被设计成具有一对对称的剪叉机构。
图1（a）：最大延伸位置处的平台（3D设计）
图1（b）：平台处于完全缩回位置
使用设计软件详细设计零件和他们的组装和他们的模拟。然后在考虑平台的几何形状情况下，手动计算验证此分析。此外，手动设计计算是为了完成对矩形管的弯曲和屈曲失效分析。上部平台上两侧装有带平台的圆形管道，这样人员不会失去平衡，并可在升降时握住管道。上部平台的升降速度可以通过控制液压缸来调节。液压缸的扩展和回缩速度不同，这个还需特别注意，以免造成颤动。上部剪叉机构和受力的2D图在下面给出。这些图用于计算各种关节处的受力反应。
图2：带液压缸的剪叉式升降机构2D图
在图2中我们可以看到剪叉机构是在的一端是铰链和另一端携带滚轮的帮助下锁定。液压缸还铰接到底部平台和上部分剪叉机构中间。在液压缸的帮助下将要的力施加到顶部剪刀，然后在销接头的帮助下用于抬起底部剪叉对。
3.2气缸计算：
图3：受力图
在平台上施加100公斤的重量
解决两端的负载
由图可知
同理
作用在横杆的中点处的力
但气缸轴完全伸展时会倾斜 因此，
用于选择液压缸
压力
3.3矩形截面管道分析：
图4（a）：矩形管
作用于底部平台的最大载荷= 130千克
作用于底部平台的最小载荷= 30 kg
矩形截面管的分析：
体积 低碳钢密度 质量
1层质量
3.4屈曲构件的设计：
图4（b）：管道的屈曲分析
构件屈曲负荷：
低碳钢的弹性模量
由于临界应力小于软钢的屈服强度
钢（300 MN / m2）
因此，材料是安全的。
4、结论：
本文着重讨论了与起重机构及其设计有关的各个方面的问题。 尺寸，动力和强度分析反映了所选择的机械结构是多功能的和最可靠实现该目的的方式。便携式工作平台由电机操作的液压缸控制的。整个设备也是具有机动性的，在控制面板的帮助下，用户可以从一个地方移动到另一个地方。在使用高容量的液压缸前提下，剪式升降机可以适用于高负载环境。液压剪式升降机使用简便并且不需要日常维护。 在本文中我们对剪叉机构进行了详细的分析，防止构件发生弯曲和屈曲失效，并且着重于剪叉式机构的各种设计方面和工作方面的机械结构设计。
机器人已经进入了建筑行业的模型塑造、构建、制造并为创造新的设计，元素和结构提供新的方法
Richard Bloss
工业机器人副主编
摘要：目的 - 本文的旨在回顾机器人技术在建筑和建筑领域中的重要应用。
设计/方法论/方法 - 与将机器人应用于建筑领域以及出席2014年在密歇根州安阿伯举行Rob-Arch 会议的全球研究人员讨论。
调查结果 - 机器人为建筑设计和实施以及施工提供了许多创新的方法。
实际影响 - 读者可能会惊讶于机器人已经将创新付诸现实并把手伸向了建筑结构的设计和实施。
创意/价值 - 回顾全球机器人在建筑创新方面的广泛应用。
关键词：机器人，制造，模型，构造，创新
工业机器人已经运作了半个多世纪。应用程序多种多样并且众所周知。最近，
建筑领域的研究人员已经开始研究如何应用机器人技术推进该领域设计和实施的创新。多年来，世界各地的大学建筑学院一直在致力于解决这些问题。为了进一步开展这项活动并与研究人员联系起来，“建筑机器人协会”于2010成立。
大部分的重点是如何实现建筑师提出的创造性想法，而传统的实现方法没有解决这些问题。机器人正在处理诸如使用最少材料制造结构，创建视觉元素，快速构建复杂结构的模型以及为节省劳力和安全建造实际建筑物等任务。
这项研究主要是针对标准的现成机器人，在编程软件、设计定制机器人、专用终端设备和远超传统应用的适应性等相关领域中进行创新。
在软件领域，许多开发工作正在适配诸如Grasshopper，Rhino和YOUR等软件包。Grasshopper是一种与Rhino结合使用的可视化编程语言。它允许程序员拖放组件来构建三维（3-D）模型设计。Rhino（Rhinoceros 3-D）是一款广泛用于建筑机器人项目的图形建模工具软件包。 YOUR是一个用来在计算机创建3-D界面的软件包。这三个软件工具被许多研究团队使用。
在末端工具领域，应用已经有了许多新的发展，雕刻，金属成型和创新建筑元素的创造。 一个研究小组甚至解决了雕刻陶器材料的问题。
建筑模型
东南亚高层建筑的关注一直是建筑机器人的一个推动力。世界上一些最高的建筑现在分布在亚洲。 一步推动机器人技术在建筑领域的应用是因为这些亚洲高层建筑的设计不是传统的直立和竖向设计，而是创新的类型或元素堆栈。创建这些设计的模型需要仔细适当地放置数百个元素（图1）。
在新加坡的未来城市实验室（FCL）和ETH全球环境可持续性中心，研究人员开发了可构建1:50比例模型的模型构建机器人系统。 模型建设项目不仅有助于确定外观问题，还有助于解决结构稳定性和施工的现实问题。
FCL的研究人员和学生开发了定制机器人来完成施工活动。由于建筑模型的高度可能达到4米，因此他们将通用机器人模型UR5机器人臂与6df一起改装成一个高大的双轴列定位系统。开发了一系列定制设计的真空夹具来精密处理模型元素。（Budig等，2014）
图1机器人设备正在建造第五号模型塔。机器人首先折叠纸板墙，然后放入与力流对应的模式以稳定整个结构。Johan Julius Petrus Aejmelaeus-Lindstrouml;m，Pun Hon Chiang和Ping Fuan的学生团队也致力于这一发展。
图 1
在伦敦Bartlett建筑学院和位于巴黎的ENSA Paris-Malaquais，Laboratoire GSA的联合项目中，新旧思想交汇。该项目的重点是自动化设计，并在1699年由法国工程师Joseph Abeille等人的工作基础上设计了一个球形拱顶的原型。 最初的1699设计解决了一个大跨度制造的元素比跨度短得多的问题。
这个结构被称为半球形Abeille的拱顶。该团队需要一种有效的手段来制造数百个楔形泡沫塑料件（图2）。基于Rhino的设计软件根据设计的数学公式为机器人准备切割每一部分的程序。编程软件考虑到了热切割过程的参数，有助于确保每一部分的准确性（Schwartz和Mondardini，2014）。
图2是使用聚苯乙烯泡沫块的热丝切割机器人系统用于Abeillersquo;s Vaults的原型设计。
图 2
机器人建筑施工
并不是所有部署在建筑应用中的机器人都在设计室或实验室中，许多都在现场处理建筑和制造方面的挑战。这些机器人挑战并解决了传统施工方法和设计创新制造技术的问题。机器人解放了建筑师因传统建筑技术所限而无法设计新的结构的枷锁。麻省理工学院（MIT）的一个研究小组已经开发出一种卡车（卡车）安装的机器人，其高度可达24米，升力可达680公斤（图3）。 机器人提供11个自由度。 为了实现这个能力，团队将一个6轴KUKA机器人手臂连接到5轴Altec移动液压臂上。复合结构类似于人类手臂和手的能力，只是非常长。
图3用于现场施工应用的卡车式11轴机器人的夜视图。
图 3
该项目的目标是提供现场建造非标准建筑形式、实时现场传感数据集成、提高分辨率、降低错误率和提高施工人员安全性的方案。其他目标包括大型可浇注结构的绝缘模板三维印刷。系统通过每个悬臂元件末端的加速度计和陀螺仪加上液压活塞的速度监测和角度测量进行主动监控（Keating等，2014）。
另一个用于自动化施工的机器人是伦敦巴特利特研究生学院努力的结果。为了展示他们部署自适应编程的成果，他们构建了一个可以铺设砖块的机器人系统（图4）。一个主要的挑战是开发一个能处理不可预测的建筑材料的机器人系统，比如砂浆这种材料，以及和人类建筑工人一起工作。
图4为Bartlett砌砖机器人的动作，展示其能力。
图 4
该系统将Universal Robots arm与Grasshopper和Rhinoceros软件，反馈传感器，定制设计的臂末端效应器和3-D传感器相结合。 编程任务包括拾取和放置砖块，切换臂端设备，铺设砂浆和每层新砂层到位后移除多余的砂浆。
作为学习过程的一部分，人类泥瓦匠被监测，以供开发出适当的砂浆铺设手势。视觉系统有助于监控砂浆的不可预测性，并有助于解决每块砖获得正确数量的砂浆的问题（Elashry和Glynn，2014）。
复杂的基于纤维的缠绕结构已成为热门的建筑方法。 斯图加特大学的研究人员开发了一种基于机器人技术的无芯纤维缠绕工艺（Prado 等，2014）。 其好处是能够构建具有高承载能力和最小自重的结构。
该制造系统由一对面对面的机器人串联工作，精密构造灯丝结构。12轴的运动系统可以确保卷绕过程的几何精度。项目组开发除了协调软件和编程的技术来完成所需的绕组模式。
未来的团队目标包括实时机器人感测，以实现机器人程序的在线修改。这将允许该过程是自适应的而不是脚本的，也同样不是基于预设的几何图形的。未来的发展也可能会解决更为复杂的几何形状、防风雨和/或绝热的完全一体化结构。
建筑要素的制造
传统上，建筑要素的制造是一项劳动密集型的工作。研究人员开发了许多机器人应用程序，能够更精准和更高效地生成这些结构元素。
在哈佛大学，研究人员已经开发出一种用机器人系统创建粘土和陶瓷轮子投掷元件的机器人方法。传统的陶瓷元件是在一个旋转的轮盘上手工制作的。这使得创造新的和不同的设计成为可能。投掷粘土一直是一个非常艺术的工作，包括制陶工人的手小心地接触来控制旋转的粘土块。哈佛团队将陶瓷传统工艺，可锻材料的特性和自动化合并了起来（Dickey 等，2014）。
他们将ABB机器人应用于陶瓷制造任务，如成形，雕刻和附加的工艺。通过使用记号笔进行纸张测试来校准机器人手臂，他们能够从车轮上的材料与机器人手臂运动之间的相互作用中获得有价值的见解。
声音控制是推动建筑机器人创新的另一个因素。悉尼大学的研究人员专注于创建复杂的曲面结构，其中设计是通过应用复杂的空间几何形状来降低曲面结构设计中的声音集中度。通过使用Grasshopper软件和结构工程软件（Strand7）和声学仿真软件（ODEON）中的变量，将这些几何结构直接链接到机器人编程，他们可以有效地对机器人进行编程（Reinhardt等，2014）。
他们的TriVoc系统将数学信息传输给机器人编程以生成聚苯乙烯泡沫塑料块。 然后使用这些块来制作用于测试的全尺寸结构模型。 机器人方法可精确控制施工所需模块的雕刻，从而帮助确保全面测试模型阶段和最终结构的准确性。
结构设计的创新和薄壁建造的热门推动了另一个机器人建造方向的成就。位于瑞士洛桑的EPO木材建筑IBOIS实验室的研究人员开发了一种构建薄壳弯曲结构的技术（Robeller等，2014）。
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