Ройная Фабрикация: Переконфигурируемые 3D-принтеры и графопостроители из роевых роботов

Содержание

1. Введение

Современные цифровые фабрикационные машины имеют существенные ограничения в гибкости, мобильности и переконфигурируемости. Традиционные 3D-принтеры и станки с ЧПУ имеют фиксированные форм-факторы, которые препятствуют легкой модификации или транспортировке. Ройная Фабрикация решает эти проблемы, используя роевую робототехнику для создания динамических фабрикационных систем по требованию.

2. Смежные исследования

2.1 Модульные фабрикационные машины

Предыдущие исследования включают картонный набор машин Peek et al. [8] и Fabricatable machines [2], которые позволяют быстро прототипировать фабрикационные устройства с использованием модульных компонентов. Эти подходы заложили основу для переконфигурируемых систем, но им не хватало мобильности и масштабируемости, предлагаемой роевой робототехникой.

2.2 Малые роботы как фабрикационные машины

Fiberbots [5] продемонстрировали строительство в архитектурном масштабе с использованием малых роботов, в то время как Koala3D [14] и Swarm3D printer [1] исследовали подходы к вертикальному строительству. Termite Robots [3] показали возможности коллективного строительства, но эти системы были специализированы для конкретных задач, а не для универсальной фабрикации.

3. Техническая реализация

3.1 Архитектура системы

Система Ройной Фабрикации использует роботов toio, оснащенных 3D-печатными модулями для построения различных элементов фабрикационных машин:

• Двигатели: Роботы обеспечивают приведение в действие через точное движение
• Подъемник: Вертикальное движение достигается через согласованное позиционирование роботов
• Экструдер: Пользовательские модули позволяют наносить материал
• Податчик: Подача материала управляется через координацию роботов

3.2 Математический аппарат

Управление позицией фабрикационной головки следует алгоритмам координации роя. Позиция $P(x,y,z)$ вычисляется как:

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

где $R_i$ представляет позицию робота $i$, а $A_i$ представляет конфигурацию модуля с углами ориентации $\theta_i$ и $\phi_i$.

4. Экспериментальные результаты

Система успешно продемонстрировала построение функционального X-Y-Z графопостроителя с использованием нескольких роботов toio. Ключевые метрики производительности:

• Точность позиционирования: ±2 мм при текущей реализации
• Максимальный объем построения: Масштабируется с количеством роботов
• Время переконфигурации: Менее 5 минут для различных типов машин

Рисунок 1 в оригинальной статье показывает концептуальную установку, где роботы координируются для позиционирования экструдера в 3D-пространстве, позволяя выполнять как 2D-рисование, так и 3D-печать.

5. Реализация кода

Базовый алгоритм координации для позиционирования роя:

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):
        # Вычисление оптимальных позиций роботов с использованием диаграмм Вороного
        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. Перспективные приложения

Ройная Фабрикация открывает множество перспективных приложений:

• Строительство на месте в удаленных локациях
• Возможности фабрикации для ликвидации последствий катастроф
• Образовательные платформы для цифровой фабрикации
• Многоматериальные и многопроцессные фабрикационные системы
• Самовосстанавливающиеся и самовоспроизводящиеся фабрикационные системы

7. Ссылки

1. Проект Swarm3D Printer (2020). Распределенная 3D-печать с роями роботов.
2. Mueller, S. et al. (2019). Fabricatable Machines. ACM Transactions on Graphics.
3. Werfel, J. et al. (2014). Designing Collective Behavior in a Termite-Inspired Robot Construction Team. Science.
4. CycleGAN: Zhu, J.Y. et al. (2017). Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks. ICCV.
5. Fiberbots: An autonomous robotic system for architecture-scale fabrication. Science Robotics, 2018.

8. Критический анализ