[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种名为群集制造（Swarm Fabrication）的新方法，利用蜂群机器人——具体为配备3D打印机械配件的toio机器人——构建可重构、按需生成的3D打印机和绘图绘图仪。通过将这些机器人用作移动执行器，驱动挤出头、滚珠丝杠和线控系统等组件，作者展示了一款可实现3D打印与绘图功能的X-Y-Z绘图仪，从而实现可扩展、便携且可动态重构的制造工具。

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.

研究动机与目标

• 解决当前数字制造设备的僵化性问题，这些设备因固定形态而无法移动、无法扩展、无法重构。
• 通过利用移动机器人实现按需构建制造工具，克服便携性与适应性的局限。
• 探索使用蜂群机器人作为功能组件（如执行器、挤出头）构建模块化、可重构制造系统的技术可行性。
• 通过toio机器人与机械配件构建概念验证的X-Y-Z绘图仪与3D打印机，实现动态重构。
• 为未来通用型制造设备（如CNC铣床、泡沫切割机、3D扫描仪）的构建铺平道路，这些设备将基于可重构的机器人蜂群实现。

提出的方法

• 通过P5.js编程控制toio机器人的运动与动作，将其用作移动执行器，驱动3D打印的机械配件。
• 使用两个配备桥接配件的toio机器人构建X-Y绘图仪，形成可移动的龙门架结构，再通过第三个配备绘图仪配件的toio机器人实现工具的移动。
• 通过toio机器人的旋转运动调节线长，实现线控绘图仪，从而在悬挂的线上实现2D定位。
• 通过在toio机器人上加装磁铁，实现对垂直表面（如白板）的操作，使其能够像Scribit一样在垂直平面上移动绘图。
• 通过集成额外配件（如挤出头、建模平台和材料容器）将系统扩展至3D打印，所有部件均由位于龙门架或线控系统上的toio机器人驱动。
• 通过机器人协调实现功能配件的动态更换（如挤出头与拾取-放置工具之间的切换），从而实现可重构性。

实验结果

研究问题

• RQ1 蜂群机器人能否有效用于构建可重构的制造设备（如3D打印机与绘图仪）？
• RQ2 toio机器人如何作为核心制造组件（如挤出头、滚珠丝杠、定位系统）的移动执行器？
• RQ3 通过模块化配件与机器人协调，该系统在多大程度上可扩展并适应不同制造任务（如绘图、3D打印、CNC加工）？
• RQ4 该系统能否在不进行硬件重新设计的情况下，实现不同制造模式（如从3D打印切换到绘线）之间的动态重构？
• RQ5 使用低成本、小型移动机器人作为复杂制造系统功能部件时，其实际限制与性能权衡是什么？

主要发现

• 作者成功演示了一款使用三个toio机器人与3D打印配件构成的X-Y-Z绘图仪，可实现精确的2D与3D运动控制。
• 实现了线控系统：两个toio机器人通过调节线长来定位绘图仪，实现在悬挂线上的2D运动。
• 通过在toio机器人上加装磁铁，系统实现了在垂直表面的稳定运行，可实现类似Scribit的白板绘图功能。
• 通过toio机器人作为龙门结构上的移动挤出头，实现了可工作的3D打印系统，其协调运动可实现G代码驱动的材料沉积。
• 模块化设计支持动态重构：同一组机器人可通过更换配件重新编程，用作3D打印机、绘图绘图仪或其他制造工具。
• 该方法实现了按需、便携且可扩展的制造，未来可拓展至CNC加工、泡沫切割、拾取-放置系统与3D扫描等应用。