Více UAV spolupracovalo s 3D tiskem na stavbě domu a výzkum byl umístěn na kryt přírody

Rádi byste přenechali stavbu dronům a nechali je provádět 3D tisk?

Často můžeme vidět včely, mravence a další zvířata zaměstnaná hnízděním. Po přirozeném výběru je jejich pracovní efektivita úžasná.

Schopnost dělení a spolupráce těchto zvířat byla „předána“ na UAV. Studie z Imperial College of Technology nám ukazuje budoucí směr následovně:

3D šedivění UAV:

Tento výzkum byl ve středu zveřejněn na obálce časopisu Nature.

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

Aby vědci demonstrovali schopnosti UAV, použili pěnu a speciální lehký cementový materiál ke stavbě konstrukcí o výšce od 0,18 m do 2,05 m. Ve srovnání s původním plánem je chyba menší než 5 mm.

Aby se dokázalo, že systém dokáže zvládnout složitější formaci UAV, vytvořil tým sekvenci zpoždění světelné stopy pomocí světel na UAV k simulaci vysoké kupolové konstrukce.

Mirko Kovac, vedoucí výzkumu a ředitel Aerial Robotics Laboratory na Imperial College, řekl: Tuto metodu lze použít k výstavbě budov v Arktidě nebo dokonce na Marsu nebo pomoci opravit výškové budovy, které obvykle vyžadují drahé lešení.

V současnosti však tato technologie stále podléhá určitým omezením, protože bezpilotní letouny jsou náročné na přepravu těžkých předmětů, je třeba je pravidelně nabíjet a stále vyžadují manuální dohled. Vědci však uvedli, že doufají, že některé z těchto problémů zmírní automatickým nabíjením UAV během studie projektu.

Jak probíhá UAV 3D tisk? V tomto ohledu výzkumníci vybudovali sofistikovaný systém.

Úvod do výzkumu

Za účelem zvýšení produktivity a bezpečnosti je navržena robotická konstrukční technologie pro montáž stavebních komponentů a kontinuální aditivní výrobu ve volné formě (AM). Ve srovnání s metodou založenou na montáži může volný tvar spojitý AM flexibilně vytvářet geometricky variabilní design, který se vyznačuje vysokou účinností a nízkou cenou. Tyto rozsáhlé systémy však musí být připojeny k napájení. Je nepohodlné je kontrolovat, udržovat a opravovat a je obtížné je vyrábět v drsném prostředí.

Jako alternativa k velkým systémům s jedním robotem mohou malé mobilní roboty poskytovat větší flexibilitu a škálovatelnost. Výzkum stavění s tvorbou robotů je však stále v rané fázi vývoje. Kromě toho je v současnosti provozní výška více robotů omezená a nebude fungovat, pokud překročí určitý rozsah. Níže uvedený obrázek ukazuje srovnání mezi robotickými platformami SOTA vyvinutými pro AM ve stavebnictví.

Ve srovnání se současným robotickým systémem a jeho přirozenými omezeními prokázali přirození stavitelé větší přizpůsobivost při stavbě a mnozí k dosažení tohoto cíle používají letové a aditivní konstrukční metody. Například vlaštovky mohou proletět 1200krát mezi materiálem a staveništěm, aby hnízdo postupně dokončily. Společenský hmyz, jako jsou termiti a vosy, vykazují vyšší stupeň přizpůsobivosti a škálovatelnosti: konstrukce antén prováděná sociálními vosami ukazuje efektivní a přímou optimalizaci cesty, což snižuje požadavky na navigaci v celém stavebním procesu.

Tyto přírodní systémy inspirují metodu kolektivní výstavby pomocí multiagentu, která potřebuje vyřešit koordinační problém multiagenta nad rámec současné dostupné technologie. Kromě metody kolektivní interakce systémů s více roboty musí být integrován a společně vyvinut materiálový design a použití a mechanismy manipulace s prostředím, aby bylo dosaženo kooperativní konstrukce.

Systém navržený Imperial College se nazývá Aerial AM, který kombinuje mechanismus biologické spolupráce s inženýrskými principy a je realizován několika UAV.

K dosažení autonomní aditivní výroby potřebují týmy UAV paralelně vyvinout řadu klíčových technologií, včetně: 1) leteckých robotů schopných vysoce přesné nanášení materiálu a kvality tisku a kvalitativního hodnocení v reálném čase; 2) Týmy leteckých robotů mohou mezi sebou vysílat své vlastní aktivity, bezdrátově sdílet data a vzájemně se nerušit; 3) Autonomní systém navigace a plánování úloh v kombinaci se strategií tiskové dráhy adaptivně určuje a rozděluje výrobní úlohy; 4) Navrhněte nebo vyberte materiálové plány, zejména lehčené a potisknutelné cementové směsi, vhodné pro letecké aditivní způsoby výroby bez potřeby bednění nebo dočasného lešení.

Aerial AM používá dva typy platforem vzdušných robotů, nazývané BuilDrone a ScanDrone. BuilDrone se používá ke skládání fyzických materiálů a ScanDrone se používá k provádění přírůstkového leteckého skenování a ověřovacího pozorování po nanesení každé vrstvy materiálů. Tyto dvě robotické platformy jsou koordinovány na svých příslušných pracovních postupech prostřednictvím distribuovaných multiagentních metod. Konstrukční cyklus zahrnuje charakterizaci tiskového výkonu BuilDrones a ScanDrone za letu, adaptaci trajektorie a materiálový tisk BuilDrone v reálném čase a ověření tiskového efektu ScanDrone a lidskými supervizory.

Obrázek 2. Rámec leteckého AM pro neomezené a neomezené AM.

Multiagentní Aerial AM framework navržený novým výzkumem sestává ze dvou cyklů, které běží na plánovaném pomalém časovém měřítku a na rychlém časovém měřítku operací v reálném čase, respektive pro výrobu a pozorování pokroku. V důkazu konceptu výzkumníci použili systém pro skenování vzdušného vidění k provádění 3D skenování k mapování pokroku a použili expandované pěnové materiály k sestavení velkého válce.

Obrázek 3. Aerial AM BuilDrone vytiskl 2,05 m vysokou válcovou geometrii, včetně 72 výletů nanášení materiálu, a ScanDrone provedl vyhodnocení tisku v reálném čase.

Obrázek 4. Dva BuilDrony používají delta manipulátory pro kompenzaci chyb k 3D tisku tenkostěnných válců k ukládání cementových materiálů.

Obrázek 5. Aerial AM multi robot track virtuální tisk kopulovitý rotační povrch. A. C je dráha letu, b a d jsou pohled shora a perspektivní pohled. F ukazuje výsledky simulace použití 15 robotů k tisku zvětšené geometrie se spodním průměrem 15 m.

Prostřednictvím depozice materiálu BuilDrone a kvalitativního hodnocení tiskové struktury v reálném čase pomocí ScanDrone výzkumníci úspěšně vytiskli válec až do výšky 2,05 metru, což prokázalo schopnost metody Aerial AM vyrábět velké geometrické objekty. Výrobní experiment cementového tenkostěnného válce dokazuje, že spojení samonastavitelného paralelního delta manipulátoru a BuilDrone umožňuje nanášení materiálů s vysokou přesností (maximální chyba polohy 5 mm) v horizontálním a vertikálním směru, což je v povoleném rozsahu Britské architektonické požadavky.

Výsledky virtuální dráhy AM a simulace ukazují, že framework Aerial AM dokáže efektivně tisknout různé geometrické tvary prostřednictvím paralelní výroby více robotů, řešit přetížení a dokončit adaptaci za abnormálních podmínek.

Přestože tyto experimenty úspěšně ověřily proveditelnost Aerial AM, jsou pouze prvním krokem k prozkoumání potenciálu použití leteckých robotů pro stavbu. Výzkumníci uvedli, že k realizaci budovy 3D tiskárny UAV je třeba dosáhnout významného pokroku v robotické technologii a materiálové vědě, zejména v hraničních oblastech, jako je ukládání podpůrných materiálů, vytvrzování aktivních materiálů a sdílení úkolů mezi více robotů.

U samotného UAV, aby se výsledky výzkumu dostaly mimo laboratoř, plánují výzkumníci implementovat multisenzorový systém simultánního určování polohy a mapování (SLAM) s diferenciálním globálním pozičním systémem (GPS), aby bylo zajištěno dostatečné venkovní určování polohy.

Po uvedení do praxe může Aerial AM poskytnout alternativní způsob podpory bydlení a výstavby důležité infrastruktury v odlehlých oblastech.

Referenční odkaz:

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

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

Původní název: Building a House with Multi UAV Collaborative 3D Printing and Research on the Cover of Nature