التصنيع السربيّ: طابعات ثلاثية الأبعاد ومنقاشات رسم قابلة لإعادة التشكيل مكونة من روبوتات سربيّة

جدول المحتويات

1. المقدمة

تعاني آلات التصنيع الرقمي الحالية من قيود كبيرة في المرونة والقابلية للنقل وإعادة التشكيل. تمتلك الطابعات ثلاثية الأبعاد التقليدية وآلات التحكم الرقمي (CNC) أشكالاً ثابتة تمنع التعديل أو النقل بسهولة. يتصدى التصنيع السربيّ لهذه التحديات من خلال الاستفادة من علم الروبوتات السربيّة لإنشاء أنظمة تصنيع ديناميكية حسب الطلب.

2. الأعمال ذات الصلة

2.1 آلات التصنيع المعيارية

يشمل البحث السابق مجموعة آلات الكرتون لـ Peek وآخرون [8] وآلات Fabricatable [2]، والتي تمكن من النمذجة السريعة لأجهزة التصنيع باستخدام المكونات المعيارية. وضعت هذه الأساليب الأساس لأنظمة قابلة لإعادة التشكيل لكنها افتقرت إلى التنقل والقابلية للتطوير التي تقدمها الروبوتات السربيّة.

2.2 الروبوتات الصغيرة كآلات تصنيع

أظهرت Fiberbots [5] البناء على نطاق معماري باستخدام روبوتات صغيرة، بينما استكشفت Koala3D [14] وطابعة Swarm3D [1] أساليب البناء الرأسي. أظهرت روبوتات Termite [3] قدرات بناء جماعية، لكن هذه الأنظمة كانت متخصصة لمهام محددة بدلاً من كونها للتصنيع العام.

3. التنفيذ التقني

3.1 بنية النظام

يستخدم نظام التصنيع السربيّ روبوتات toio المجهزة بملحقات مطبوعة ثلاثية الأبعاد لبناء عناصر آلات تصنيع مختلفة:

• المحركات: توفر الروبوتات التحريك من خلال الحركة الدقيقة
• المصعد: يتم تحقيق الحركة الرأسية من خلال تموضع الروبوتات المنسق
• الطارد: تمكن الملحقات المخصصة من ترسيب المواد
• المغذي: يتم إدارة توريد المواد من خلال تنسيق الروبوتات

3.2 الإطار الرياضي

يتابع تحكم موقع رأس التصنيع خوارزميات التنسيق السربيّ. يتم حساب الموضع $P(x,y,z)$ كالتالي:

$P(x,y,z) = \sum_{i=1}^{n} R_i(x_i, y_i, z_i) + A_i(\theta_i, \phi_i)$

حيث يمثل $R_i$ موقع الروبوت $i$، ويمثل $A_i$ تكوين الملحق بزوايا الاتجاه $\theta_i$ و $\phi_i$.

4. النتائج التجريبية

أظهر النظام بنجاح بناء منقاش X-Y-Z وظيفي باستخدام روبوتات toio متعددة. مقاييس الأداء الرئيسية:

• دقة التموضع: ±2 ملم مع التنفيذ الحالي
• أقصى حجم بناء: قابل للتطوير مع عدد الروبوتات
• وقت إعادة التشكيل: أقل من 5 دقائق لأنواع الآلات المختلفة

يوضح الشكل 1 في الورقة الأصلية الإعداد المفاهيمي حيث تنسق الروبوتات لوضع طارد في الفضاء ثلاثي الأبعاد، مما يمكن من عمليات الرسم ثنائي الأبعاد والطباعة ثلاثية الأبعاد.

5. تنفيذ الكود

خوارزمية التنسيق الأساسية لتموضع السرب:

class SwarmFabrication:
    def __init__(self, robot_count):
        self.robots = [ToioRobot() for _ in range(robot_count)]
        self.attachments = {}
    
    def coordinate_position(self, target_x, target_y, target_z):
        # حساب أوضاع الروبوتات المثلى باستخدام التقسيم فورونوي
        positions = self.calculate_voronoi_positions(target_x, target_y, target_z)
        
        for i, robot in enumerate(self.robots):
            target_pos = positions[i]
            robot.move_to(target_pos.x, target_pos.y)
            if hasattr(robot, 'elevator_attachment'):
                robot.elevator_attachment.set_height(target_pos.z)
    
    def execute_print_path(self, gcode_commands):
        for command in gcode_commands:
            self.coordinate_position(command.x, command.y, command.z)
            if command.extrude:
                self.extrude_material(command.amount)

6. التطبيقات المستقبلية

يمكن التصنيع السربيّ العديد من التطبيقات المتقدمة:

• البناء في الموقع في المواقع النائية
• قدرات التصنيع للاستجابة للكوارث
• منصات تعليمية للتصنيع الرقمي
• أنظمة تصنيع متعددة المواد والعمليات
• أنظمة تصنيع ذاتية الإصلاح والاستنساخ

7. المراجع

1. مشروع طابعة Swarm3D (2020). الطباعة ثلاثية الأبعاد الموزعة باستخدام أسراب الروبوتات.
2. Mueller, S. et al. (2019). آلات Fabricatable. معاملات ACM في الرسومات.
3. Werfel, J. et al. (2014). تصميم السلوك الجماعي في فريق بناء روبوتي مستوحى من النمل الأبيض. العلوم.
4. CycleGAN: Zhu, J.Y. et al. (2017). الترجمة من صورة إلى صورة غير المزدوجة باستخدام شبكات الخصومة ذات الدورة المتسقة. ICCV.
5. Fiberbots: نظام روبوتي ذاتي للتصنيع على نطاق معماري. Science Robotics، 2018.

8. التحليل النقدي