ساخت گروهی: چاپگرهای سه‌بعدی و پلاترهای طراحی قابل پیکربندی مجدد ساخته شده از ربات‌های گروهی

فهرست مطالب

1. مقدمه

ماشین‌آلات ساخت دیجیتال فعلی از محدودیت‌های قابل توجهی در انعطاف‌پذیری، قابلیت حمل و قابلیت پیکربندی مجدد رنج می‌برند. چاپگرهای سه‌بعدی و ماشین‌های CNC سنتی دارای فرم فکتورهای ثابتی هستند که از تغییر یا حمل آسان جلوگیری می‌کنند. ساخت گروهی با بهره‌گیری از رباتیک گروهی برای ایجاد سیستم‌های ساخت پویا و براساس تقاضا، این چالش‌ها را مورد توجه قرار می‌دهد.

2. کارهای مرتبط

2.1 ماشین‌آلات ساخت ماژولار

تحقیقات قبلی شامل کیت ماشین مقوایی پیک و همکاران [8] و ماشین‌های قابل ساخت [2] می‌شود که نمونه‌سازی سریع دستگاه‌های ساخت را با استفاده از اجزای ماژولار امکان‌پذیر می‌کنند. این رویکردها پایه‌ای برای سیستم‌های قابل پیکربندی مجدد ایجاد کردند اما فاقد تحرک و مقیاس‌پذیری ارائه شده توسط رباتیک گروهی بودند.

2.2 ربات‌های کوچک به عنوان ماشین‌آلات ساخت

Fiberbots [5] ساخت در مقیاس معماری را با استفاده از ربات‌های کوچک نشان داد، در حالی که Koala3D [14] و چاپگر Swarm3D [1] رویکردهای ساخت عمودی را بررسی کردند. ربات‌های موریانه‌ای [3] قابلیت‌های ساخت جمعی را نشان دادند، اما این سیستم‌ها برای کارهای خاص تخصصی شده بودند نه ساخت عمومی.

3. پیاده‌سازی فنی

3.1 معماری سیستم

سیستم ساخت گروهی از ربات‌های toio مجهز به قطعات چاپ سه‌بعدی شده برای ساخت عناصر مختلف ماشین ساخت استفاده می‌کند:

• موتورها: ربات‌ها از طریق حرکت دقیق، عملگرایی فراهم می‌کنند
• آسانسور: حرکت عمودی از طریق موقعیت‌دهی هماهنگ ربات حاصل می‌شود
• اکسترودر: قطعات سفارشی، رسوب‌گذاری مواد را امکان‌پذیر می‌کنند
• فیدر: تأمین مواد از طریق هماهنگی ربات مدیریت می‌شود

3.2 چارچوب ریاضی

کنترل موقعیت هد ساخت از الگوریتم‌های هماهنگی گروهی پیروی می‌کند. موقعیت $P(x,y,z)$ به صورت زیر محاسبه می‌شود:

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

که در آن $R_i$ موقعیت ربات $i$ را نشان می‌دهد، و $A_i$ پیکربندی قطعه با زوایای جهت $\theta_i$ و $\phi_i$ را نشان می‌دهد.

4. نتایج آزمایشی

سیستم با موفقیت ساخت یک پلاتر X-Y-Z عملکردی را با استفاده از چندین ربات toio نشان داد. معیارهای عملکرد کلیدی:

• دقت موقعیت‌دهی: ±2 میلی‌متر با پیاده‌سازی فعلی
• حداکثر حجم ساخت: مقیاس‌پذیر با تعداد ربات
• زمان پیکربندی مجدد: کمتر از 5 دقیقه برای انواع مختلف ماشین

شکل 1 در مقاله اصلی، تنظیم مفهومی را نشان می‌دهد که در آن ربات‌ها برای موقعیت‌دهی یک اکسترودر در فضای سه‌بعدی هماهنگ می‌شوند و عملیات طراحی دو بعدی و چاپ سه‌بعدی را امکان‌پذیر می‌کنند.

5. پیاده‌سازی کد

الگوریتم هماهنگی پایه برای موقعیت‌دهی گروهی:

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):
        # Calculate optimal robot positions using Voronoi partitioning
        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. کاربردهای آینده

ساخت گروهی کاربردهای پیشرفته متعددی را امکان‌پذیر می‌کند:

• ساخت در محل در مکان‌های دورافتاده
• قابلیت‌های ساخت برای پاسخ به بلایا
• پلتفرم‌های آموزشی برای ساخت دیجیتال
• سیستم‌های ساخت چند ماده‌ای و چند فرآیندی
• سیستم‌های ساخت خودترمیم و خودتکثیر

7. مراجع

1. پروژه چاپگر Swarm3D (2020). چاپ سه‌بعدی توزیع شده با گروه‌های رباتی.
2. مولر، اس. و همکاران (2019). ماشین‌های قابل ساخت. تراکنش‌های ACM روی گرافیک.
3. ورفل، جی. و همکاران (2014). طراحی رفتار جمعی در یک تیم ساخت رباتی الهام‌گرفته از موریانه. علم.
4. CycleGAN: ژو، جی.وای. و همکاران (2017). ترجمه تصویر به تصویر جفت‌نشده با استفاده از شبکه‌های متخاصم سازگار با چرخه. ICCV.
5. Fiberbots: یک سیستم رباتیک خودمختار برای ساخت در مقیاس معماری. علم رباتیک، 2018.

8. تحلیل انتقادی