UAV-uri multiple au cooperat cu imprimarea 3D pentru a construi o casă, iar cercetarea a fost pusă pe acoperirea naturii

Doriți să lăsați construcția pe seama dronelor și să le lăsați să efectueze imprimare 3D?

Putem vedea adesea albine, furnici și alte animale ocupate cu cuibărirea. După selecția naturală, eficiența lor în muncă este uimitoare.

Capacitatea de divizare și cooperare a acestor animale a fost „transmisă” UAV-urilor. Un studiu de la Imperial College of Technology ne arată direcția viitoare, după cum urmează:

Îngrijirea 3D a UAV:

Această cercetare a fost publicată miercuri pe coperta revistei Nature.

Adresă: https://www.nature.com/articles/s41586-022-04988-4

Pentru a demonstra capacitatea UAV-ului, cercetătorii au folosit spumă și un material special de ciment ușor pentru a construi structuri cu înălțimi cuprinse între 0,18 m și 2,05 m. În comparație cu modelul original, eroarea este mai mică de 5 mm.

Pentru a demonstra că sistemul poate gestiona formarea UAV mai complexă, echipa a creat o secvență de întârziere a traseului luminii folosind luminile de pe UAV pentru a simula o structură de cupolă înaltă.

Mirko Kovac, lider al cercetării și director al Laboratorului de Robotică Aeriană de la Imperial College, a declarat: Această metodă poate fi folosită pentru a construi clădiri în Arctica sau chiar pe Marte, sau poate ajuta la repararea clădirilor înalte care necesită de obicei schele scumpe.

Cu toate acestea, în prezent, această tehnologie este încă supusă unor restricții, deoarece UAV-urile sunt greu de transportat obiecte grele, trebuie încărcate în mod regulat și au nevoie totuși de supraveghere manuală. Cu toate acestea, cercetătorii au spus că speră să atenueze unele dintre aceste probleme prin încărcarea automată a UAV-ului în timpul studiului proiectului.

Cum se realizează imprimarea UAV 3D? În acest sens, cercetătorii au construit un sistem sofisticat.

Introducere în cercetare

Pentru a îmbunătăți productivitatea și siguranța, tehnologia de construcție bazată pe robot este propusă pentru asamblarea componentelor clădirii și fabricarea aditivă continuă (AM) în formă liberă. În comparație cu metoda bazată pe asamblare, AM continuă în formă liberă poate produce în mod flexibil un design variabil geometric, care se caracterizează prin eficiență ridicată și cost redus. Cu toate acestea, aceste sisteme la scară largă trebuie conectate la sursa de alimentare. Este incomod să le inspectați, să le întrețineți și să le reparați și este dificil să le fabricați în medii dure.

Ca o alternativă la sistemele cu un singur robot mari, roboții mobili mici pot oferi o mai mare flexibilitate și scalabilitate. Cu toate acestea, cercetarea privind construirea cu formarea roboților se află încă în stadiul incipient de explorare a dezvoltării. În plus, înălțimea de operare a robotului multi este limitată în prezent și nu va funcționa dacă depășește un anumit interval. Figura de mai jos arată comparația dintre platformele de roboți SOTA dezvoltate pentru AM în industria construcțiilor.

În comparație cu sistemul actual de robot și cu limitările sale inerente, constructorii naturali au demonstrat o mai mare adaptabilitate în construcție și mulți folosesc metode de construcție de zbor și aditive pentru a realiza acest lucru. De exemplu, rândunelele pot zbura de 1200 de ori între sursa materialului și șantierul de construcție pentru a finaliza treptat cuibul. Insectele sociale precum termitele și viespile prezintă un grad mai mare de adaptabilitate și scalabilitate: construcția aeriană efectuată de viespi sociale arată o optimizare eficientă și directă a traseului, reducând cererea de navigație în întregul proces de construcție.

Aceste sisteme naturale inspiră metoda construcției colective folosind multi-agent, care trebuie să rezolve problema de coordonare a multi-agent dincolo de tehnologia actuală disponibilă. Pe lângă metoda de interacțiune colectivă a sistemelor multi-roboți, proiectarea și utilizarea materialelor și mecanismele de manipulare a mediului trebuie integrate și dezvoltate în comun pentru a realiza o construcție cooperativă.

Sistemul propus de Imperial College se numește Aerial AM, care combină mecanismul de cooperare biologică cu principiile de inginerie și este realizat de mai multe UAV-uri.

Pentru a realiza fabricarea autonomă aditivă, echipele UAV trebuie să dezvolte o serie de tehnologii cheie în paralel, inclusiv: 1) roboți aerieni capabili să depună materialul de înaltă precizie și să asigure calitatea imprimării și evaluare calitativă în timp real; 2) Echipele de roboți aerieni își pot transmite propriile activități între ele, pot partaja date fără fir și nu interferează între ele; 3) Sistemul autonom de navigare și planificare a sarcinilor, combinat cu strategia traseului de tipărire, determină și distribuie adaptativ sarcinile de fabricație; 4) Proiectați sau selectați planuri de materiale, în special amestecuri de ciment ușoare și imprimabile, potrivite pentru metodele aeriene de fabricație aditivă fără a fi nevoie de cofraje sau schele temporare.

Aerial AM utilizează două tipuri de platforme de roboți aerieni, numite BuildDrone și, respectiv, ScanDrone. BuildDrone este folosit pentru a stivui materiale fizice, iar ScanDrone este folosit pentru a efectua scanări aeriene incrementale și observații de verificare după depunerea fiecărui strat de materiale. Cele două platforme de roboți sunt coordonate pe fluxurile lor de lucru respective prin metode multi-agenți distribuite. Ciclul de construcție include caracterizarea performanței tipăririi în zbor a BuilDrones și ScanDrone, adaptarea în timp real a traiectoriei și imprimarea materialului BuilDrones și verificarea efectului de imprimare de către ScanDrone și supraveghetorii umani.

Figura 2. Cadrul AM aerian pentru AM nerestricționat și nelimitat.

Cadrul multi-agent Aerial AM propus de noua cercetare constă din două cicluri, care rulează pe scara de timp lent planificată și, respectiv, pe scara de timp rapid de operare în timp real pentru producție și observarea progresului. În dovada conceptului, cercetătorii au folosit sistemul de viziune aeriană scandrone pentru a efectua scanări 3D pentru a mapa progresul și au folosit materiale din spumă expandată pentru a construi un cilindru mare.

Figura 3. Aerial AM BuildDrone a tipărit o geometrie cilindrică de 2,05 m înălțime, inclusiv 72 de călătorii de depunere de material, iar ScanDrone a efectuat evaluarea tipăririi în timp real.

Figura 4. Două BuildDron-uri folosesc manipulatoare delta de compensare a erorilor pentru a imprima 3D cilindri cu pereți subțiri pentru a depune materiale de ciment.

Figura 5. Suprafață rotativă în formă de cupolă de imprimare virtuală cu mai multe roboți AM aeriană. A. C este calea de zbor, b și d sunt vedere de sus și vedere în perspectivă. F arată rezultatele simulării utilizării a 15 roboți pentru a imprima geometrie mărită, cu un diametru de fund de 15 m.

Prin depunerea materialului BuildDrone și evaluarea calitativă în timp real a structurii de imprimare de către ScanDrone, cercetătorii au imprimat cu succes un cilindru de până la 2,05 metri înălțime, dovedind capacitatea metodei Aerial AM de a fabrica obiecte geometrice mari. Experimentul de fabricație a cilindrului de ciment cu perete subțire demonstrează că cuplarea dintre manipulatorul delta paralel cu auto-aliniere și BuilDrone permite depunerea materialelor cu o precizie ridicată (eroare de poziție de maximum 5 mm) în direcțiile orizontale și verticale, ceea ce este în intervalul admisibil de Cerințe arhitecturale britanice.

Pista virtuală AM și rezultatele simulării arată că cadrul Aerial AM poate imprima în mod eficient diferite forme geometrice prin fabricarea paralelă a mai multor roboți, poate rezolva congestia și poate completa adaptarea în condiții anormale.

Deși aceste experimente au verificat cu succes fezabilitatea Aerial AM, ele sunt doar primul pas pentru a explora potențialul utilizării roboților aerieni pentru construcție. Cercetătorii au spus că, pentru a realiza construcția tipografiei 3D a UAV, trebuie făcute progrese semnificative în tehnologia roboților și știința materialelor, în special în domeniile de frontieră, cum ar fi depunerea materialelor suport, întărirea materialelor active și împărțirea sarcinilor între ele. mai mulți roboți.

Pentru UAV în sine, pentru ca rezultatele cercetării să iasă din laborator, cercetătorii intenționează să implementeze un sistem de poziționare și cartografiere simultană (SLAM) cu mai multe senzori cu sistem de poziționare globală diferenţială (GPS) pentru a oferi o poziţionare suficientă în exterior.

După ce a fost pus în practică, Aerial AM poate oferi o modalitate alternativă de a sprijini locuințele și construcția de infrastructură importantă în zonele îndepărtate.

Link de referință:

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04988-4

https://www.technologyreview.com/2022/09/21/1059864/drones-3d-print-tower/

Titlu original: Construirea unei case cu imprimare 3D colaborativă cu UAV multiplu și cercetare pe coperta naturii