[논문 리뷰] Swarm Fabrication: Reconfigurable 3D Printers and Drawing Plotters Made of Swarm Robots

Samin Farajian, Hiroki Kaimoto외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 22.

Modular Robots and Swarm Intelligence인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 toio 로봇과 3D 프린팅으로 제작한 기계적 액세서리들을 사용하여 재구성 가능하고 즉시 사용 가능한 3D 프린터 및 드로잉 플로터를 만드는 새로운 접근법인 스웜 패브리케이션을 제안한다. 이 로봇들을 기계적 액추에이터로 활용함으로써, 예를 들어 프린터 노즐, 리드 스크류, 와이어 제어 시스템 등의 구성 요소를 이동식으로 제어함으로써, 3차원 프린팅과 드로잉이 가능한 X-Y-Z 플로터를 기능적으로 실현하였다. 이는 확장 가능하고 이동성이 있으며 동적으로 재구성 가능한 제조 도구를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 디지털 제조 기계의 유연성 부족 문제를 해결한다. 이는 고정된 형태 요소로 인해 이동성, 확장성, 재구성성이 떨어지기 때문이다.
• 이동성과 적응성의 한계를 극복하기 위해 이동식 로봇을 활용해 즉시 사용 가능한 제조 도구를 구축할 수 있도록 한다.
• 스웜 로봇을 기능적 구성 요소(예: 액추에이터, 프린터 노즐 등)로 사용하여 모듈식이며 재구성 가능한 제조 시스템을 구축할 수 있는지를 탐색한다.
• 재구성 가능한 X-Y-Z 플로터 및 3D 프린터의 개념 증명을 위해 toio 로봇과 기계적 액세서리를 사용하여 실현 가능한 시스템을 제시한다.
• 향후 일반 목적의 제조 기계, 예를 들어 CNC mill, 폼 커팅기, 3D 스캐너 등을 재구성 가능한 로봇 군집으로 구축할 수 있는 길을 열어 놓는다.

제안 방법

• P5.js를 사용해 toio 로봇을 프로그래밍하여 3D 프린팅된 기계적 액세서리의 이동 및 액추에이션을 제어함으로써, toio 로봇을 이동식 액추에이터로 활용한다.
• 두 대의 toio 로봇에 브릿지 액세서리를 장착하여 이동 가능한 게이트리 형식의 기구를 구성하고, 세 번째 toio 로봇에 플로터 액세서리를 장착하여 도구의 이동을 제어한다.
• 와이어 제어 플로터를 실현하기 위해 toio 로봇의 회전 운동을 활용해 와이어 길이를 조절함으로써, 매달린 와이어 위에서 2차원 위치를 제어한다.
• 자석을 toio 로봇에 부착하여 수직 표면에서도 작동 가능하게 함으로써, Scribit와 유사하게 화이트보드나 수직 평면 위에서 그림을 그릴 수 있도록 한다.
• 브릿지 또는 와이어 시스템에 장착된 toio 로봇을 활용해 추가 액세서리를 통합함으로써 3D 프린팅 기능을 확장한다. 이는 프린터 노즐, 모델링 테이블, 재료 용기 등이 포함된다.
• 로봇 간의 협업을 통해 기능적 액세서리(예: 프린터 노즐 vs. 피킹 앤 플레이스 도구)의 동적 교체를 가능하게 하여 재구성 가능성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스웜 로봇이 재구성 가능한 제조 기계, 예를 들어 3D 프린터나 플로터를 효과적으로 구성하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ2 toio 로봇이 프린터 노즐, 리드 스크류, 위치 조절 시스템과 같은 핵심 제조 구성 요소의 이동식 액추에이터로 기능할 수 있는가?
• RQ3 모듈식 액세서리와 로봇 간 협업을 통해 다양한 제조 작업(예: 드로잉, 3D 프린팅, CNC 가공)에 대해 시스템을 얼마나 확장하고 적응시킬 수 있는가?
• RQ4 하드웨어 재설계 없이도 3D 프린팅에서 선 드로잉으로의 동적 재구성 기능을 시스템이 지원할 수 있는가?
• RQ5 저비용의 소형 이동식 로봇을 복잡한 제조 시스템의 기능적 구성 요소로 사용할 경우의 실용적 제약 조건과 성능 상충 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 저자들은 3대의 toio 로봇과 3D 프린팅 액세서리를 사용하여 정밀한 2차원 및 3차원 운동 제어가 가능한 기능성 X-Y-Z 플로터를 성공적으로 구현하였다.
• 두 대의 toio 로봇이 와이어 길이를 조절하여 플로터를 매달린 와이어 위에서 2차원으로 이동시키는 와이어 제어 시스템을 실현하였다.
• 자석을 부착함으로써 수직 표면에서도 안정적인 작동이 가능해졌으며, Scribit와 유사하게 화이트보드에 그림을 그릴 수 있도록 하였다.
• 브릿지 구조 위에 장착된 toio 로봇을 이동식 프린터 노즐로 활용하여 작동 가능한 3D 프린팅 시스템을 실현하였으며, g-code 기반의 침착을 위해 로봇 간의 협업 이동 제어를 수행하였다.
• 모듈식 설계 덕분에 동적 재구성이 가능하다. 동일한 로봇 군집이 액세서리 교체를 통해 3D 프린터, 드로잉 플로터, 또는 다른 제조 도구로 재프로그래밍될 수 있다.
• 이 접근법은 즉시 사용 가능하고 이동성이 있으며 확장 가능한 제조를 가능하게 하며, 향후 CNC 가공, 폼 커팅, 피킹 앤 플레이스 시스템, 3D 스캐닝 등으로의 확장 가능성이 있다.