Multi-UAV'er samarbejdede med 3D-print for at bygge et hus, og forskning blev sat på forsiden af naturen
Sep 24, 2022
Læg en besked
Vil du overlade konstruktionen til droner og lade dem udføre 3D-print?
Vi kan ofte se bier, myrer og andre dyr i gang med rede. Efter naturlig udvælgelse er deres arbejdseffektivitet fantastisk.
Disse dyrs divisions- og samarbejdsevne er blevet "givet videre" til UAV'er. En undersøgelse fra Imperial College of Technology viser os den fremtidige retning, som følger:
3D-gråning af UAV:
Denne undersøgelse blev offentliggjort på forsiden af Nature onsdag.
Adresse: https://www.nature.com/articles/s41586-022-04988-4
For at demonstrere UAV'ens kapacitet brugte forskere skum og et specielt letvægtscementmateriale til at bygge strukturer i højden fra 0.18m til 2,05m. Sammenlignet med den originale tegning er fejlen mindre end 5 mm.
For at bevise, at systemet kan håndtere mere kompleks UAV-dannelse, skabte holdet en lyssporforsinkelsessekvens ved hjælp af lysene på UAV'en til at simulere en høj kuppelstruktur.
Mirko Kovac, leder af forskningen og direktør for Aerial Robotics Laboratory på Imperial College, sagde: Denne metode kan bruges til at bygge bygninger i Arktis eller endda på Mars, eller hjælpe med at reparere højhuse, der normalt kræver dyre stilladser.
Men på nuværende tidspunkt er denne teknologi stadig underlagt nogle begrænsninger, fordi UAV'er er svære at bære tunge genstande, skal oplades regelmæssigt og stadig har brug for manuel overvågning. Men forskerne sagde, at de håbede at afhjælpe nogle af disse problemer ved automatisk at oplade UAV'en under projektundersøgelsen.
Hvordan realiseres UAV 3D-print? I denne henseende har forskere bygget et sofistikeret system.
Forskningsintroduktion
For at forbedre produktiviteten og sikkerheden foreslås robotbaseret byggeteknologi til samling af bygningskomponenter og fri form kontinuerlig additiv fremstilling (AM). Sammenlignet med metoden baseret på montage, kan fri form kontinuerlig AM fleksibelt producere geometrisk variabel design, som er kendetegnet ved høj effektivitet og lave omkostninger. Disse store systemer skal dog tilsluttes strømforsyningen. Det er ubelejligt at efterse, vedligeholde og reparere dem, og det er svært at fremstille dem i barske miljøer.
Som et alternativ til store enkeltrobotsystemer kan små mobile robotter give større fleksibilitet og skalerbarhed. Forskningen i bygning med robotdannelse er dog stadig i den tidlige udforskningsfase af udviklingen. Derudover er driftshøjden på multirobotten begrænset på nuværende tidspunkt, og den vil ikke fungere, hvis den overskrider et vist område. Nedenstående figur viser sammenligningen mellem SOTA robotplatforme udviklet til AM i byggebranchen.
Sammenlignet med det nuværende robotsystem og dets iboende begrænsninger har naturlige bygherrer vist større tilpasningsevne i byggeriet, og mange bruger flyve- og additive konstruktionsmetoder for at opnå dette. For eksempel kan svaler flyve 1200 gange mellem materialekilden og byggepladsen for gradvist at færdiggøre reden. Sociale insekter såsom termitter og hvepse viser en større grad af tilpasningsevne og skalerbarhed: luftkonstruktioner udført af sociale hvepse viser effektiv og direkte stioptimering, hvilket reducerer navigationsbehovet i hele byggeprocessen.
Disse naturlige systemer inspirerer metoden til kollektiv konstruktion ved hjælp af multi-agent, som skal løse koordinationsproblemet med multi-agent ud over den nuværende tilgængelige teknologi. Ud over den kollektive interaktionsmetode for multirobotsystemer, skal materialedesign og -brug og miljømanipulationsmekanismer integreres og udvikles i fællesskab for at opnå kooperativ konstruktion.
Systemet foreslået af Imperial College kaldes Aerial AM, som kombinerer biologisk samarbejdsmekanisme med tekniske principper og realiseres af flere UAV'er.
For at opnå autonom additiv fremstilling skal UAV-teams udvikle en række nøgleteknologier parallelt, herunder: 1) luftrobotter, der er i stand til højpræcisionsmaterialeafsætning og printkvalitet, og kvalitativ realtidsevaluering; 2) Luftrobothold kan udsende deres egne aktiviteter til hinanden, dele data trådløst og ikke forstyrre hinanden; 3) Det autonome navigations- og opgaveplanlægningssystem kombineret med udskrivningsstistrategien bestemmer og distribuerer produktionsopgaver adaptivt; 4) Design eller udvælg materialeplaner, især lette og printbare cementblandinger, egnet til additive fremstillingsmetoder i luften uden behov for forskalling eller midlertidige stilladser.
Aerial AM bruger to typer luftrobotplatforme, kaldet henholdsvis BuilDrone og ScanDrone. BuilDrone bruges til at stable fysiske materialer, og ScanDrone bruges til at udføre trinvis luftscanning og verifikationsobservation efter hvert lag af materialer er deponeret. De to robotplatforme er koordineret på deres respektive arbejdsgange gennem distribuerede multi-agent metoder. Konstruktionscyklussen omfatter karakteriseringen af BuilDrones og ScanDrones udskrivningsydelse under flyvningen, tilpasning af bane i realtid og materialeudskrivning af BuilDrones og verifikation af printeffekten af ScanDrone og menneskelige supervisorer.
Figur 2. Aerial AM-ramme for ubegrænset og ubegrænset AM.
Multi-agent Aerial AM-rammeværket, der foreslås af den nye forskning, består af to cyklusser, som kører på henholdsvis den planlagte langsomme tidsskala og realtidsdriftens hurtige tidsskala til fremstilling og fremskridtsobservation. I proof of concept brugte forskerne det scandrone luftbårne vision-system til at udføre 3D-scanning for at kortlægge fremskridtene og brugte udvidede skummaterialer til at bygge en stor cylinder.
Figur 3. Aerial AM BuilDrone printede 2,05 m høj cylindrisk geometri, inklusive 72 materialeaflejringsture, og ScanDrone udførte udskrivningsevaluering i realtid.
Figur 4. To BuilDrones bruger fejlkompenserende delta-manipulatorer til at 3D-printe tyndvæggede cylindre for at afsætte cementholdige materialer.
Figur 5. Aerial AM multi-robotspor virtuel udskrivning kuppelformet roterende overflade. en. C er flyvevejen, b og d er topvisning og perspektivvisning. F viser simuleringsresultaterne ved at bruge 15 robotter til at printe forstørret geometri med en bunddiameter på 15 m.
Gennem materialedeponeringen af BuilDrone og den kvalitative realtidsevaluering af printstrukturen af ScanDrone, har forskere med succes printet en cylinder op til 2,05 meter høj, hvilket beviser Aerial AM-metodens evne til at fremstille store geometriske objekter. Fremstillingseksperimentet med en tyndvægscylinder af cement beviser, at koblingen af selvjusterende parallel delta-manipulator og BuilDrone gør det muligt at afsætte materialer med høj nøjagtighed (maksimum 5 mm positionsfejl) i vandret og lodret retning, hvilket er inden for det tilladte område af britiske arkitektoniske krav.
Det virtuelle spor AM og simuleringsresultater viser, at Aerial AM-rammeværket effektivt kan udskrive forskellige geometriske former gennem parallel multi-robotfremstilling, løse overbelastning og fuldstændig tilpasning under unormale forhold.
Selvom disse eksperimenter med succes har verificeret gennemførligheden af Aerial AM, er de kun det første skridt til at udforske potentialet ved at bruge luftrobotter til at bygge. Forskerne sagde, at for at realisere 3D-printhusbygningen af UAV, skal der gøres betydelige fremskridt inden for robotteknologi og materialevidenskab, især inden for grænseområder som aflejring af støttematerialer, hærdning af aktive materialer og opgavedeling mellem flere robotter.
For selve UAV'en, for at få forskningsresultaterne til at gå ud af laboratoriet, planlægger forskere at implementere et multi-sensor simultane positioning and mapping (SLAM) system med differential global positioning system (GPS) for at give tilstrækkelig udendørs positionering.
Efter at være blevet implementeret i praksis, kan Aerial AM være en alternativ måde at understøtte boliger og vigtig infrastrukturkonstruktion i fjerntliggende områder.
Reference link:
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04988-4
https://www.technologyreview.com/2022/09/21/1059864/drones-3d-print-tower/
Originaltitel: Building a House with Multi UAV Collaborative 3D Printing and Research on the Cover of Nature