设计机器人组装:叠加的探索

介绍

在过去的几十年,自动化制造和机械装配经历了一个指数的增长几乎所有类型的制造和装配过程(国际机器人联合会,2016年)。在这种情况下,大规模生产已通过全部或半自动生产和组装过程,具有持续提高了制造业的生产率。在强烈的对比中,生产力在建筑和建筑几乎没有增长(巴博萨et al ., 2017)。因此,它是至关重要的探索和建立新的物化方法通过开发Design-to-Robotic-Production (D2RP)过程集成减去,添加剂和造型的机器人技术生产体系结构(Mostafavi棺材,2016;棺材,2017)。考虑建筑的规模,它对扩大生产是至关重要的空间超出机器的大小。因此,装配机械支持工作流的关键一步完成从设计到施工。

尽管措施提高生产率在建筑,工程和建筑行业已确定,实现学科之间仍缺乏深入集成最新的数字和机器人技术。在这种背景下,D2RP和组装(D2RP&A)流程介绍相结合的跨学科方法计算设计与机械生产和组装,仍视为种族隔离的领域知识和技能(Capro科勒,2014;棺材Mostafavi, 2015;棺材,2017)。阐述了实体化的片段来自一个住房单元,在概念上发展D2RP&A设计工作室举行德绍架构(DIA)研究所作为D2RP&A案例研究集中在机械铆合。首先,评论组装方法与机器人相关生产的背景部分。随后,介绍了原理和物化的设计方法。然后,六轴工业机器人的装配方法。最后,提出了研究的结论和对未来的展望。

背景

机器人组装机械支持工作流的关键一步完成从设计到施工。获得的经验表明,为了获得一个现实的设计,不仅要考虑设计方面还实体化(棺材Mostafavi, 2015)。完成的研究领域包括装配意味着不要仅仅关注精梳分离组件一起但开发一个全面的设计施工方案。这包括两个过程:整体分解成可制造的组件在设计阶段、施工阶段和组件的聚合。

有很多研究人员投入自己调查设计和机器人生产之间的相互关系。通过确定不同方案之间的差异,这些组装方法可以分类:

组件的惟一性水平

组合是由相同的材料和类型的组件,或组件,是独一无二的。

装配用相同的材料,机械砖铺设项目开发的苏黎世联邦理工学院(Bonwetsch et al ., 2006;Bartschi et al ., 2010与熔丝)和3 d印刷制造属于这一类。后的砖或滴丝放下或沉积在一个特定的位置,它接收一个独特的身份在整个组合因其位置。

在光谱的另一端,每个组件是独一无二的。例如,在ICD / ITKE研究馆2011年斯图加特(孟,2012)和犰狳库在2016年威尼斯建筑双年展(Van Mele et al ., 2016(即),材料。,timber and marble) were shaped into unique components. Then, in the assembly process, each component had to be picked in a certain order to be then installed in its position one by one. Although the assembly was implemented manually in these two cases, the tenon and mortise for assembly were prepared with CNC machinery beforehand.

组合的产品/主持人的水平

组合可以作为最终产品(例如,上述三种情况)或临时主持人。

例如,对现浇混凝土模板是facilitatory组合。与会的模板作为塑造新浇混凝土的容器。组合中扮演一个角色在建设阶段,但之前将产品进入操作阶段。同样,拱顶的脚手架也视为facilitatory组合。

有时,组合可以作为两种。例如,在项目开发的机器人保持原位,喷洒泡沫模板在麻省理工学院(基廷et al ., 2017),泡沫模板组装了一个相同的材料(泡沫)。研究人员提出,印刷泡沫作为模板当喷射混凝土应用于它。混凝土硬化后,模板没有被删除;它作为保温。泡沫的multi-purposefulness使它作为产品和促进者。

组合的连续/离散水平

铆合机器人作为一种添加剂施工方法已广泛探索架构(Bonwetsch et al ., 2006;Gramazio et al ., 2010;佩雷斯,2017)。根据Retsin et al。(2017)两种类型的连接,从而确定方法:连续和离散。连续方法提出逐步分化参数化模式上实现相对简单的拓扑结构如墙壁,虽然离散方法实现更复杂的拓扑。D2RP&A提出的方法结合了两者优点的已知的方法利用多维连续方法的灵活性以及空间自由和multi-sized离散方法的融合。

原理图设计D2RP&A

D2RP&A堆积施工方法上实现的一个片段一个住房单元,结构表示信封与集成家具,环保通知孔隙度、和当地气候使用智能设备控制。所产生的整体几何映射的运动人体在3 d空间(图1)。下一步,需要家具促进室内活动融入到整体几何原理构建的皮肤。因此,皮肤不是一个简单的弯曲的信封,而是一个结构变量厚度和分化程度的孔隙度。各种厚度方便功能多样化的室内活动,而孔隙度为视图提供机会,光,通风,门,气候控制和/或主机智能设备(数据2,3)。

整个3 d几何的片段被选中来确定气候需求(图2),然后颜色:红色斑块用于辐射,橙色的太阳路径,黄色自然照明,绿色为观点,heating-cooling紫色,蓝色为人工照明。除了环境要求,结构分析也是为了确定执行所需的结构材料的密度。

D2RP&A物质化设计

在这个设计中,两种类型的组件包括:智能设备和结构元素。智能设备安装规范环境质量,而结构元素堆积在不同密度反映了先前的环境和结构分析。

所需的智能设备集成Design-to-Robotic-Operation (D2RO)方法暗示策略定制室内气候使用考虑短期、中期和长期使用空间的变化和各自的个人需求(而不是平均)实时环境和空间数据。一些智能设备分布在映射领域色素增感太阳能电池和压电元件,例如获取和太阳辐射与人类的动能转化为电能。

对于结构材料,线性元素有两个不同的尺寸。大元素建立轴承结构,而小元素用作加密。在僵硬的结构材料不是必需的,更大的元素由苗条的元素代替。因此,层细分为子层和层的厚度和细分层3:1和元素的型材是90/90毫米,30/30毫米。

组件几何相似,既不相同也不独特,结构元素跨越某些距离,以便装配过程没有临时支持。结合两种不同的方法被应用在不同的方向。方法在一个层是连续而跨层明智的方法是离散(1层90毫米或3层30毫米)。

人类辅助机器人堆垛

在生产过程中,采用六轴机器人配备了气动夹具组装结构原型,由线性元素两个截面和各种长度。建筑,气动爪的运动已经从两个方面来定义:第一个是定义之间的运动选择和放置位置。另一个是安排装配序列,确保装配平衡随时在构建阶段。此外,爪上的移动元素之间的碰撞和前面堆叠元素是预防。

安装一个结构元素,有10个运动参与选择和地点的循环:(1)从起源点50毫米以上选择位置;(2 - 4)方法选择位置和接元素(图4);(5、6)的传输元素通过中心50毫米以上放置位置(图4 b);(7)方法放置位置和释放的元素,然后回到原点(图4摄氏度)。叠层顺序,基本准则是确保每个元素被放置在一个稳定的位置。不可避免地,顺序从底层开始。在每一层,有适当的地位被放置在悬臂(虚线所示图5)。的元素需要被放置在美联储的手动对接,在此原型的建设。

此外,某些物理约束也影响元素的安排:元素之间的间距应该允许爪,为了防止碰撞元素,元素的长度(l),宽度(一个)、倾斜角度(θ),曲率半径(ρ)和中心点之间的距离(d)应满足约束条件表示在图6。自从壳牌在这个案例研究中有一个非均匀厚度,长和短的元素。元素的长度是有限的,当元素的定位不是相互平行的极限长度是确定和调整后的距离(d₂,如图6)。

此外,大型和小型元素之间的比例应该是一个奇数,为了保持简单分层安排。如果大到小元素的比例是3:1,当3层小元素放置在1层的大量元素,元素的主要轴可以在顶部和底部表面平行。这个特性允许每个cross-wise元素在不同层之间的联系。

叠加产生一个片段,轻微的曲率和悬臂梁在多个方向,证明两种叠加的方法连续和离散可以成功的结合不仅实现更多的变异也集成智能设备。此外,铆合种机器人人机合作的第一步,这是必要的实现建筑在建筑规模和需要进一步探索。

结论

机器人组装完成自动化工作流从原理图设计到物理结构。D2RP&A过程涉及线性元素的叠加与关注实验调查的生成建筑结构证明表示装配不同大小的线性元素的潜力和空间定位,以使结构与气候控制的集成。案例研究还证明,某些跨越的机械叠加方法允许建立悬臂梁。预计发达D2RP&A方法来简化这个过程从设计到施工和制造所需的几何复杂架构交付一个温和的预算。他们预计将增加生产力的建筑、工程和建筑行业。

未来步骤涉及推进探索种机器人生产人机协作以及开发组装逻辑从平原叠加到联锁或交织的元素。主要考虑的是未来的工厂在建筑和建筑采用建筑组件,这些组件可以使用机械加工、组装和操作。对未来的主要挑战与D2RP&A集成人机协作。例如,采用激光扫描获取的现状构建过程,扩展虚拟和物理环境之间的反馈回路可以建立。机器人可能会与人类交互,例如,操作员可以教机器人做某些任务,指导他们使用工具或手工,同时动态安全系统等。主要考虑的是生产经营的建筑在未来将会使机器人化和识别哪些技能集更好的获得和由机器执行人类而其他发展关键是人类和机器人之间的交互场景。

作者的贡献

HB了主管的角色的高级研究员SM博士和博士研究员Y-CC co-supervised MSc学生参与这个项目。作者开发了提出方法的援助DIA和立筋的学生。

资金

提出项目资助的代尔夫特理工大学和德绍研究所的建筑。

利益冲突声明

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

确认

本文借鉴立筋的贡献机器人建筑和DIA的研究人员,教师和学生。特别是,作者承认印度学生出现Wan, Lim添精,梁静茹Chee学生住房单元的发展以及其相应的1:1原型片段。作者也承认马可Gali和丹尼尔·菲舍尔MSc的帮助学生贡献的立筋堆积在DIA的早期测试。

引用