[論文レビュー] Swarm Fabrication: Reconfigurable 3D Printers and Drawing Plotters Made of Swarm Robots

Samin Farajian, Hiroki Kaimoto+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2022

Modular Robots and Swarm Intelligence被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、3Dプリントされた機械的アタッチメントを備えたtoioロボットを用いたスウォームロボットを活用し、再構成可能でオンデマンドの3次元プリンターおよび描画プロットターを構築する新規なアプローチ「スウォームファブリケーション」を提案する。これらのロボットを移動式アクチュエータとして用いることで、エキストルーダー、リードスクリュー、ワイヤー制御システムなどの部品に機能を付与し、3次元プリンターおよびプロットターとしての動作を実証した。本手法により、スケーラブルで携帯可能かつ動的に再構成可能なファブリケーションツールの実現が可能となる。

ABSTRACT

We introduce Swarm Fabrication, a novel concept of creating on-demand, scalable, and reconfigurable fabrication machines made of swarm robots. We present ways to construct an element of fabrication machines, such as motors, elevator, table, feeder, and extruder, by leveraging toio robots and 3D printed attachments. By combining these elements, we demonstrate constructing a X-Y-Z plotter with multiple toio robots, which can be used for drawing plotters and 3D printers. We also show the possibility to extend our idea to more general-purpose fabrication machines, which include 3D printers, CNC machining, foam cutters, line drawing devices, pick and place machines, 3D scanning, etc. Through this, we draw a future vision, where the swarm robots can construct a scalable and reconfigurable fabrication machines on-demand, which can be deployed anywhere the user wishes. We believe this fabrication technique will become a means of interactive and highly flexible fabrication in the future.

研究の動機と目的

• 固定されたフォームファクタに起因する現在のデジタルファブリケーション機器の非柔軟性（非携帯性、非拡張性、非再構成性）に対処する。
• 移動ロボットを用いたオンデマンドなファブリケーションツールの構築により、携帯性と適応性の制限を克服する。
• スウォームロボットを機能的部品（例：アクチュエータ、エキストルーダー）として用いることで、モジュラーで再構成可能なファブリケーションシステムの可能性を探る。
• toioロボットと機械的アタッチメントを用いたX-Y-Zプロットターおよび3次元プリンターのプロトタイプを実証する。
• 将来的な汎用ファブリケーション機器（例：CNCミル、フォームカッター、3次元スキャナー）を再構成可能なロボットスウォームから構築する基盤を築く。

提案手法

• P5.jsを用いてプログラミングすることで、toioロボットを3Dプリントされた機械的アタッチメントの移動および作動のための移動式アクチュエータとして利用する。
• 2台のtoioロボットにブリッジアタッチメントを装着し、可動式のガンタリーを形成することでX-Yプロットターを構築し、3体目のtoioロボットにプロットター用アタッチメントを装着して工具の移動を制御する。
• 2台のtoioロボットの回転運動を用いてワイヤー長を調整することで、ワイヤーに吊るされたプロットターの2次元位置決めを実現するワイヤー制御プロットターを実装する。
• toioロボットにマグネットを装着することで垂直面での動作を可能にし、Scribitと同様にホワイトボードや垂直面への描画を可能にする。
• 追加のアタッチメント（エキストルーダー、モデリングテーブル、材料容器）を統合することで、ブリッジ構造やワイヤーシステム上に移動するtoioロボットを用いた3次元プリントの実現を図る。
• ロボットの協調制御により、機能アタッチメント（例：エキストルーダー対ピックアンドプレイスツール）の動的交換を可能にすることで、再構成性を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スウォームロボットを用いて、3次元プリンターおよびプロットターのような再構成可能なファブリケーション機器を効果的に構築できるか？
• RQ2 toioロボットは、エキストルーダー、リードスクリュー、位置決めシステムなどのコアなファブリケーション部品のための移動式アクチュエータとしてどのように機能できるか？
• RQ3 モジュラーなアタッチメントとロボットの協調制御により、描画、3次元プリント、CNCマシニングなどの異なるファブリケーションタスクにスケーラブルかつ適応可能にできるか、その範囲はどの程度か？
• RQ4 ハードウェアの再設計なしに、3次元プリントから線画描画への動作モード間での動的再構成が可能か？
• RQ5 低コストで小型の移動ロボットを複雑なファブリケーションシステムの機能的部品として用いる際の実用的制限とパフォーマンス上のトレードオフは何か？

主な発見

• 3台のtoioロボットと3Dプリントアタッチメントを用いて、正確な2次元および3次元の運動制御が可能な機能的なX-Y-Zプロットターを実証した。
• 2台のtoioロボットがワイヤー長を調整することで、吊り下げられたワイヤー上での2次元移動を実現するワイヤー制御システムを実装した。
• toioロボットにマグネットを装着することで、ホワイトボードや垂直面への描画が可能になり、安定した動作を達成した。
• ブリッジ構造上に移動するtoioロボットをアクチュエータとして用いた3次元プリントの実用的セットアップを実現し、g-code駆動の堆積をロボットの協調動作で制御した。
• モジュラー設計により、同じロボットスウォームがアタッチメントの交換によって再プログラミングされ、3次元プリンター、プロットター、その他のファブリケーションツールとしての機能を切り替えられる。
• 本手法により、オンデマンドで実現可能で、携帯可能かつスケーラブルなファブリケーションが可能となり、将来的にはCNCマシニング、フォームカッティング、ピックアンドプレイスシステム、3次元スキャンへの応用が期待できる。