स्वार्म फैब्रिकेशन: स्वार्म रोबोट्स से बने पुन: विन्यास योग्य 3D प्रिंटर और ड्राइंग प्लॉटर

विषय सूची

1. परिचय

वर्तमान डिजिटल निर्माण मशीनें लचीलेपन, पोर्टेबिलिटी और पुन: विन्यास योग्यता में महत्वपूर्ण सीमाओं से ग्रस्त हैं। पारंपरिक 3D प्रिंटर और सीएनसी मशीनों के फिक्स्ड फॉर्म फैक्टर होते हैं जो आसान संशोधन या परिवहन को रोकते हैं। स्वार्म फैब्रिकेशन इन चुनौतियों का समाधान गतिशील, ऑन-डिमांड निर्माण प्रणालियाँ बनाने के लिए स्वार्म रोबोटिक्स का लाभ उठाकर करता है।

2. संबंधित कार्य

2.1 मॉड्यूलर निर्माण मशीनें

पिछले शोध में पीक एट अल का कार्डबोर्ड मशीन किट [8] और फैब्रिकेटेबल मशीनें [2] शामिल हैं, जो मॉड्यूलर घटकों का उपयोग करके निर्माण उपकरणों के रैपिड प्रोटोटाइपिंग को सक्षम करते हैं। इन दृष्टिकोणों ने पुन: विन्यास योग्य प्रणालियों की नींव रखी, लेकिन इनमें स्वार्म रोबोटिक्स द्वारा प्रदान की जाने वाली गतिशीलता और स्केलेबिलिटी का अभाव था।

2.2 निर्माण मशीनों के रूप में छोटे रोबोट

फाइबरबॉट्स [5] ने छोटे रोबोट का उपयोग करके आर्किटेक्चर-स्केल निर्माण का प्रदर्शन किया, जबकि कोआला3डी [14] और स्वार्म3डी प्रिंटर [1] ने वर्टिकल निर्माण दृष्टिकोणों का पता लगाया। टर्माइट रोबोट्स [3] ने सामूहिक निर्माण क्षमताओं को दिखाया, लेकिन ये प्रणालियाँ सामान्य-उद्देश्य निर्माण के बजाय विशिष्ट कार्यों के लिए विशेष थीं।

3. तकनीकी कार्यान्वयन

3.1 सिस्टम आर्किटेक्चर

स्वार्म फैब्रिकेशन सिस्टम विभिन्न निर्माण मशीन तत्वों के निर्माण के लिए 3D प्रिंटेड अटैचमेंट से लैस toio रोबोट का उपयोग करता है:

• मोटर्स: रोबोट सटीक गति के माध्यम से एक्चुएशन प्रदान करते हैं
• एलिवेटर: समन्वित रोबोट पोजिशनिंग के माध्यम से वर्टिकल मोशन प्राप्त किया गया
• एक्सट्रूडर: कस्टम अटैचमेंट सामग्री जमाव को सक्षम करते हैं
• फीडर: रोबोट समन्वय के माध्यम से सामग्री आपूर्ति प्रबंधित

3.2 गणितीय ढांचा

निर्माण हेड की पोजिशन कंट्रोल स्वार्म कोऑर्डिनेशन एल्गोरिदम का पालन करती है। पोजीशन $P(x,y,z)$ की गणना इस प्रकार की जाती है:

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

जहां $R_i$ रोबोट $i$ की स्थिति का प्रतिनिधित्व करता है, और $A_i$ ओरिएंटेशन कोण $\theta_i$ और $\phi_i$ के साथ अटैचमेंट कॉन्फ़िगरेशन का प्रतिनिधित्व करता है।

4. प्रायोगिक परिणाम

सिस्टम ने कई toio रोबोट का उपयोग करके एक कार्यात्मक X-Y-Z प्लॉटर के निर्माण को सफलतापूर्वक प्रदर्शित किया। मुख्य प्रदर्शन मेट्रिक्स:

• पोजिशनिंग सटीकता: वर्तमान कार्यान्वयन के साथ ±2mm
• अधिकतम बिल्ड वॉल्यूम: रोबोट संख्या के साथ स्केलेबल
• पुन: विन्यास समय: विभिन्न मशीन प्रकारों के लिए 5 मिनट से कम

मूल पेपर में चित्र 1 वैचारिक सेटअप दिखाता है जहां रोबोट 3D स्पेस में एक एक्सट्रूडर को स्थिति देने के लिए समन्वय करते हैं, जिससे 2D ड्राइंग और 3D प्रिंटिंग दोनों ऑपरेशन सक्षम होते हैं।

5. कोड कार्यान्वयन

स्वार्म पोजिशनिंग के लिए बेसिक कोऑर्डिनेशन एल्गोरिदम:

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):
        # वोरोनोई पार्टिशनिंग का उपयोग करके इष्टतम रोबोट स्थितियों की गणना करें
        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. भविष्य के अनुप्रयोग

स्वार्म फैब्रिकेशन कई उन्नत अनुप्रयोगों को सक्षम बनाता है:

• दूरदराज के स्थानों में ऑन-साइट निर्माण
• आपदा प्रतिक्रिया निर्माण क्षमताएं
• डिजिटल निर्माण के लिए शैक्षिक प्लेटफॉर्म
• मल्टी-मटीरियल और मल्टी-प्रोसेस निर्माण प्रणालियाँ
• स्व-मरम्मत और स्व-प्रतिकृति निर्माण प्रणालियाँ

7. संदर्भ

1. स्वार्म3डी प्रिंटर प्रोजेक्ट (2020). रोबोट स्वार्म के साथ वितरित 3D प्रिंटिंग।
2. म्युलर, एस. एट अल. (2019). फैब्रिकेटेबल मशीनें. एसीएम ट्रांजैक्शन्स ऑन ग्राफिक्स.
3. वेर्फेल, जे. एट अल. (2014). एक दीमक-प्रेरित रोबोट निर्माण टीम में सामूहिक व्यवहार को डिजाइन करना. विज्ञान.
4. साइकलजीएएन: झू, जे.वाई. एट अल. (2017). साइकल-कंसिस्टेंट एडवरसैरियल नेटवर्क्स का उपयोग करके अनपेयर्ड इमेज-टू-इमेज ट्रांसलेशन. आईसीसीवी.
5. फाइबरबॉट्स: आर्किटेक्चर-स्केल निर्माण के लिए एक स्वायत्त रोबोटिक सिस्टम. साइंस रोबोटिक्स, 2018.

8. गंभीर विश्लेषण