다중 UAV는 3D 인쇄와 협력하여 집을 짓고 자연의 표지에 연구를 시작했습니다.

건설을 드론에게 맡기고 3D 프린팅을 수행하게 하시겠습니까?

우리는 종종 꿀벌, 개미 및 다른 동물들이 둥지를 틀고 있는 것을 볼 수 있습니다. 자연 선택 후, 그들의 작업 효율성은 놀랍습니다.

이 동물들의 분할과 협력 능력은 UAV에 "전승"되었습니다. Imperial College of Technology의 연구는 다음과 같은 미래 방향을 보여줍니다.

UAV의 3D 회색화:

이 연구는 수요일 네이처(Nature) 표지에 실렸습니다.

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

UAV의 기능을 입증하기 위해 연구원들은 폼과 특수 경량 시멘트 재료를 사용하여 높이가 0.18m에서 2.05m에 이르는 구조물을 만들었습니다. 원래 청사진과 비교하면 오류가 5mm 미만입니다.

시스템이 더 복잡한 UAV 형성을 처리할 수 있음을 증명하기 위해 팀은 UAV의 조명을 사용하여 높은 돔 구조를 시뮬레이션하는 가벼운 트레일 지연 시퀀스를 만들었습니다.

Imperial College의 항공 로봇 연구소 소장이자 연구 책임자인 Mirko Kovac은 다음과 같이 말했습니다. 이 방법은 북극이나 화성에 건물을 짓거나 일반적으로 비싼 비계가 필요한 고층 건물을 수리하는 데 사용할 수 있습니다.

그러나 현재 이 기술은 UAV가 무거운 물체를 운반하기 어렵고 정기적으로 충전해야 하며 여전히 수동 감독이 필요하기 때문에 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 그러나 연구원들은 프로젝트 연구 중에 UAV를 자동으로 충전하여 이러한 문제 중 일부를 완화하기를 희망한다고 말했습니다.

UAV 3D 프린팅은 어떻게 구현됩니까? 이와 관련하여 연구자들은 정교한 시스템을 구축했습니다.

연구 소개

생산성과 안전성을 향상시키기 위해 로봇 기반 건설 기술이 건물 구성 요소의 조립과 자유형 연속 적층 제조(AM)에 제안됩니다. 조립에 기반한 방법과 비교하여 자유형 연속 AM은 고효율 및 저비용이 특징인 기하학적 가변 설계를 유연하게 생성할 수 있습니다. 그러나 이러한 대규모 시스템은 전원 공급 장치에 연결해야 합니다. 검사, 유지, 보수가 번거롭고 가혹한 환경에서 제작이 어렵다.

대형 단일 로봇 시스템의 대안으로 소형 모바일 로봇은 더 큰 유연성과 확장성을 제공할 수 있습니다. 그러나 로봇 형성을 통한 건물에 대한 연구는 아직 개발 초기 탐색 단계에 있습니다. 또한 현재 멀티 로봇의 작동 높이는 제한되어 있으며, 일정 범위를 초과하면 작동하지 않습니다. 아래 그림은 건설업에서 AM용으로 개발된 SOTA 로봇 플랫폼을 비교한 것입니다.

현재의 로봇 시스템 및 고유한 한계와 비교할 때 내츄럴 빌더는 건물에 더 큰 적응성을 보여 주었고 많은 사람들이 이를 달성하기 위해 비행 및 적층 건설 방법을 사용합니다. 예를 들어, 제비는 자재 공급원과 건축 현장 사이를 1200번 날아가 점차 둥지를 완성할 수 있습니다. 흰개미와 말벌과 같은 사회적 곤충은 더 큰 적응성과 확장성을 보여줍니다. 사회적 말벌이 수행하는 공중 건설은 효율적이고 직접적인 경로 최적화를 보여 전체 건설 과정에서 탐색 요구를 줄입니다.

이러한 자연 시스템은 현재 사용 가능한 기술을 넘어 멀티 에이전트의 조정 문제를 해결해야 하는 멀티 에이전트를 사용한 집합적 구성 방법을 영감을 줍니다. 다중 로봇 시스템의 집합적 상호 작용 방법 외에도 재료 설계 및 사용 및 환경 조작 메커니즘을 통합하고 공동으로 개발하여 협력 구축을 달성해야 합니다.

Imperial College에서 제안한 시스템은 생물학 협력 메커니즘과 공학 원리를 결합하고 여러 UAV에 의해 구현되는 Aerial AM이라고 합니다.

자율 적층 제조를 달성하기 위해 UAV 팀은 다음을 포함하여 여러 핵심 기술을 동시에 개발해야 합니다. 1) 고정밀 재료 증착 및 인쇄 품질, 실시간 정성 평가가 가능한 항공 로봇. 2) 항공로봇팀은 자신의 활동을 서로에게 방송하고 무선으로 데이터를 공유하며 서로 간섭하지 않는다. 3) 인쇄 경로 전략과 결합된 자율 탐색 및 작업 계획 시스템은 제조 작업을 적응적으로 결정하고 배포합니다. 4) 거푸집 공사나 임시 비계가 필요 없는 공중 적층 제조 방법에 적합한 경량의 인쇄 가능한 시멘트 혼합물과 같은 재료 계획을 설계하거나 선택합니다.

공중 AM은 각각 BuilDrone 및 ScanDrone이라는 두 가지 유형의 공중 로봇 플랫폼을 사용합니다. BuilDrone은 물리적 물질을 쌓는 데 사용되며 ScanDrone은 각 물질 층이 증착된 후 증분 항공 스캐닝 및 검증 관찰을 수행하는 데 사용됩니다. 두 로봇 플랫폼은 분산된 다중 에이전트 방법을 통해 각각의 워크플로에서 조정됩니다. 구성 주기에는 BuilDrones 및 ScanDrone의 기내 인쇄 성능 특성화, BuilDrones의 실시간 궤적 적응 및 재료 인쇄, ScanDrone 및 인간 감독자의 인쇄 효과 검증이 포함됩니다.

그림 2. 무제한 및 무제한 AM을 위한 공중 AM 프레임워크.

새로운 연구에서 제안한 다중 에이전트 공중 AM 프레임워크는 제조 및 진행 관찰을 위해 각각 계획된 느린 시간 스케일과 실시간 작동 빠른 시간 스케일에서 실행되는 두 개의 사이클로 구성됩니다. 개념 증명에서 연구원들은 스캔드론 공중 비전 시스템을 사용하여 진행 상황을 매핑하기 위해 3D 스캐닝을 수행하고 팽창된 폼 재료를 사용하여 큰 실린더를 제작했습니다.

그림 3. 항공 AM BuilDrone은 72개의 재료 증착 트립을 포함하여 2.05m 높이의 원통형 형상을 인쇄했으며 ScanDrone은 실시간 인쇄 평가를 수행했습니다.

그림 4. 2개의 BuilDrones는 오류 보정 델타 조작기를 사용하여 시멘트 재료를 증착하기 위해 얇은 벽 실린더를 3D 인쇄합니다.

그림 5. 공중 AM 다중 로봇 트랙 가상 인쇄 돔 모양의 회전 표면. ㅏ. C는 비행 경로, b와 d는 평면도 및 투시도입니다. F는 바닥 직경이 15m인 확대된 형상을 인쇄하기 위해 15개의 로봇을 사용한 시뮬레이션 결과를 보여줍니다.

BuilDrone의 재료 증착과 ScanDrone의 인쇄 구조에 대한 실시간 정성 평가를 통해 연구원들은 최대 2.05미터 높이의 실린더를 성공적으로 인쇄하여 큰 기하학적 물체를 제조할 수 있는 Aerial AM 방식의 능력을 입증했습니다. 시멘트 박벽 실린더의 제조 실험은 자체 정렬 평행 델타 매니퓰레이터와 BuilDrone의 결합으로 재료가 허용 범위 내인 수평 및 수직 방향으로 고정밀(최대 5mm 위치 오차)로 재료를 증착할 수 있음을 입증했습니다. 영국 건축 요구 사항.

가상 트랙 AM 및 시뮬레이션 결과는 Aerial AM 프레임 워크가 병렬 다중 로봇 제조를 통해 다양한 기하학적 모양을 효과적으로 인쇄하고 혼잡을 해결하며 비정상적인 조건에서 완전한 적응을 보여줍니다.

이러한 실험은 공중 AM의 가능성을 성공적으로 검증했지만, 항공 로봇을 건물에 사용할 수 있는 가능성을 탐구하기 위한 첫 번째 단계일 뿐입니다. 연구원들은 UAV의 3D 프린팅 하우스 건물을 구현하기 위해서는 로봇 기술과 재료 과학, 특히 지지 재료 증착, 활물질 경화 및 작업 공유와 같은 프론티어 분야에서 상당한 진전이 이루어져야 한다고 말했습니다. 여러 로봇.

UAV 자체의 경우 연구 결과가 실험실 외부로 나가도록 하기 위해 연구자들은 충분한 실외 측위를 제공하기 위해 차동 GPS(Global Positioning System)와 함께 다중 센서 동시 측위 및 매핑(SLAM) 시스템을 구현할 계획입니다.

실행된 후, 공중 AM은 외딴 지역의 주택 및 중요한 기반 시설 건설을 지원하는 대체 방법을 제공할 수 있습니다.

참조 링크:

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

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

원래 제목: 다중 UAV 협업 3D 프린팅으로 집을 짓고 자연의 표지에 대한 연구