群體製造：由群體機械人組成嘅可重組3D打印機同繪圖機

目錄

1. 簡介

現時數碼製造設備喺靈活性、便攜性同可重組性方面存在明顯局限。傳統3D打印機同CNC機器具有固定外形，難以修改或搬運。群體製造透過運用群體機械人技術，創建動態按需製造系統，解決呢啲挑戰。

2. 相關研究

2.1 模組化製造設備

先前研究包括Peek等人嘅紙板機器套件[8]同可製造機器[2]，佢哋利用模組組件實現製造設備嘅快速原型製作。呢啲方法為可重組系統奠定基礎，但缺乏群體機械人技術提供嘅移動性同擴展性。

2.2 小型機械人作為製造設備

Fiberbots[5]展示咗使用小型機械人進行建築規模建造，而Koala3D[14]同Swarm3D打印機[1]則探索垂直建造方法。白蟻機械人[3]展示咗集體建造能力，但呢啲系統專注於特定任務而非通用製造。

3. 技術實現

3.1 系統架構

群體製造系統利用配備3D打印配件嘅toio機械人來構建各種製造設備組件：

• 馬達：機械人透過精確移動提供驅動
• 升降台：透過協調機械人定位實現垂直運動
• 擠出器：自訂配件實現材料沉積
• 送料器：透過機械人協調管理材料供應

3.2 數學框架

製造頭嘅位置控制遵循群體協調算法。位置$P(x,y,z)$計算公式如下：

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

其中$R_i$代表機械人$i$嘅位置，$A_i$代表配件配置，包含方向角$\theta_i$同$\phi_i$。

4. 實驗結果

系統成功演示使用多個toio機械人構建功能性X-Y-Z繪圖機。關鍵性能指標：

• 定位精度：目前實現為±2毫米
• 最大建造體積：隨機械人數量擴展
• 重組時間：不同機器類型轉換少於5分鐘

原論文圖1展示概念設置，機械人協調將擠出器定位於3D空間，實現2D繪圖同3D打印操作。

5. 代碼實現

群體定位基本協調算法：

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):
        # 使用Voronoi分割計算最佳機械人位置
        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. 未來應用

群體製造實現眾多先進應用：

• 偏遠地區現場建造
• 災難應對製造能力
• 數碼製造教育平台
• 多材料多工序製造系統
• 自我修復同自我複製製造系統

7. 參考文獻

1. Swarm3D打印機項目(2020)。使用機械人群體進行分布式3D打印。
2. Mueller, S. 等人(2019)。可製造機器。ACM圖形學交易。
3. Werfel, J. 等人(2014)。設計受白蟻啟發嘅機械人建造團隊集體行為。科學。
4. CycleGAN：Zhu, J.Y. 等人(2017)。使用循環一致對抗網絡進行非配對圖像轉換。ICCV。
5. Fiberbots：用於建築規模製造嘅自主機械人系統。科學機械人學，2018。

8. 關鍵分析