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本文研究了在建筑数字化潮流的大背景下如何运用数字化软件实现对以机械臂为代表的数控机器人的自动化控制,深入研究了“数字化建造”理论中从“生成”(generating)到“建造”(fabrication)的具体实现方法。@袁烽Philip
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图片及文字来源:创盟国际;原文发表于模拟•编码•协同——2012全国建筑院系建筑数学技术数学研讨会论文集,作者:袁烽/杨智

[摘要]本文研究了在建筑数字化潮流的大背景下如何运用数字化软件实现对以机械臂为代表的数控机器人的自动化控制,深入研究了“数字化建造”理论中从“生成”(generating)到“建造”(fabrication)的具体实现方法。

研究如铣削(milling)、热线切割(hot wire cutting) 、弯折(bending)、夹砌(gripping and stacking)等机器人建造手段如何与建造算法化与参数化设计结果进行无缝连接。重点研究如何运用数字化软件完成对上述加工方法的精确模拟,以及优化加工路径以实现在现实世界中机械人对材料的数字化加工。

本文尝试将这些基于数控机械人的加工方法进行分类归纳,形成一套逻辑清晰的建造算法,从而为数字化建造提供理论与实践指导。另一方面,通过反思数控建造技术对于当下设计本体方法论的影响,探讨建筑设计与建造方法的新范式革命。

[关键词]数控机器人,建造算法,工具包开发,数字化建造应用研究

1.研究意义

20世纪90年代是计算机辅助设计(CAD)迅速发展的年代,新一代的3D设计软件(如maya、3D Max等)开始被运用于建筑设计之中;许多学术研究机构也在此领域投了大量的经费与时间。这就促进了电脑屏幕中建筑形体的解放,其所产生的新形态的建筑形体(“blobby”forms)大多与二十世纪极简和现代主义的传统背离。尽管此类型的建筑使得建筑设计中部分既定的思考模式得到解放,但在当时仍被评论为不切实际、概念式的形体、仅止于图像而非建筑。这些评论在当时几近正确——大部分的此研究领域的初学者几乎没有此类实体建造的经验。

90年代晚期,数字化设计与建造之间的巨大不平衡已到无法忽略的地步。部分建筑师开始尝试寻找能够使这种建筑设计方法与结构实现的建造过程,这种过程对于传统的建造过程来说是革命性的。利用已经成熟的机械技术,数字建造(digital fabrication)的概念在2000年早期开始出现在各类实验性的设计方案中。这类探索大部分集中于美国和欧洲,相关研究不在仅限于在电脑中创造(input to compose)某种程度的数字化形态,而是更加着眼于如何将这些资料制造(output)成为实际物件并且不降低其独特的品质与精确度。

进入2010年后,越来越多先进的数字化设计软件不断出现,越来越多各种类型的数字化设计方法被广泛实践,但就目前来说,数字建造的发展仍远远落后与数字化设计,一定程度上是因为数字化建造的方法比较有限(如3D打印、CNC加工、激光切割等),连接两个领域的途径也不多。本文所研究的机械臂是一种在自动化工业中被已被大量运用的生产工具,由于其工具端可以加载不同的工具从而赋予其很大的灵活性,在未来的数字化建造领域中将发挥巨大的作用。

目前国外多数大学和研发团队都开展了此方面的应用研究并建立了相应的数字实验室,如哈佛大学设计研究生院(GSD)、麻省理工学院建筑系(MIT)、瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH),维也纳科技大学建筑与空间设计系、勒芒高等美术学(ESBA LE MANS)等,尤其以ETH进行的机器人搭建砖墙实验为代表,创造性的将机械臂直接引入到建造领域。然而我国国内教育及研究在该领域尚处于空白阶段。

鉴于此,建筑师需要肩负起尝试并理解机械臂数控加工这种新技术及方法,并在数字化建造的实际过程中去主动运用它们,推动数字化建造的发展。

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2.机械臂数控加工技术

机械臂是一种可以代替人手在三维或者二维空间上的某一点进行操作的数控设备。传统意义上机械臂的应用范围主要集中在仪器仪表、汽车、航天、物流、铸造等行业。

机械原理
机械臂在空间中的运动遵循逆向运动学原理,它解决了机械臂在空间中的定位问题。“逆向”意味着定位的解决是从空间中要达到目标点出发,通过各个轴的旋转实现定位,理论上可以通过若干种方法达到同一个目标点,实际情况中则采用通过最少轴运功的方法来达到目标。

数控原理
机械臂以六轴机械臂为代表,所谓六轴是指机械臂由6个关节(图2.1所示),也就是6个伺服电机和编码器组成,在六轴机械臂的基础上再增加一个水平线性滑轨就可以扩展机械臂的工作范围,实现七轴机械臂,从而完成更加复杂的操作。图2.2展示了机械臂的六个关节.,通过六个关节的共同配合,安装在机械臂端部的各种加工工具就可以定位到空间中任意一点,同时各个轴相对于初始位置则产生了一个旋转角度,六个旋转角度就组成了一组基本的数据。相关CAM软件通过对此过程模拟生成若干个位置的数据,经过相关处理后传递给数控机械臂,机械臂根据上述数据完成动作,这就是基本的数控机械臂加工原理。

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路径模拟
作者的研究主要通过RHINO中的插件GRASSHOPPER来实现这一机械臂加工过程的模拟,目前国外很多研发团队都开发了针对不同机械臂厂家的GRASSHOPPER控件,尤其以ABB和KUKA两家机械臂的制造商的控件种类最为齐全。这些控件的基本原理大同小异,都是按照逆向运动学的原理分别确定机械臂几个组成部分的实时相对空间位置,这些并不是模拟的难点,难点在于如何确定“逆向”的实时初始位置,本文下面介绍的重点正是基于此。通过这些控件,不但可以实现对加工过程的全程模拟,还可以直接生成路径文件提供给数控机械臂,从而真正实现从信息文件到工厂制造的转化。

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3.加工方法分类研究

根据加工材料和目的的不同,我们主要研究了铣削、热线切割、弯折、夹砌四种常见的加工方法,四种加工方法的区别一方面是体现在加工工具的差别上,另外软件模拟的难以程度也是不同的,例如在弯折中可能要考虑材料的受力性能才能实现想达到的弯折结果。

铣削
铣削的工具是钻头,加工材料主要包括泡沫、木材甚至是石材。通过钻头的高速旋转完成对材料的铣削成型,如图3.1所示为铣削加工的加工过程及加工结果。

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软件模拟时要考虑模型的建模逻辑,最好做到模型的建模逻辑同加工逻辑的统一,如图3.2所示,模型表面布满不规则空洞,这里以一个孔洞的加工为例,提取空洞的上下边沿轮廓,将其等分为一定片段数,片段数越多路径模拟越精确,加工速度则越慢。这里我们分别将上下两个轮廓等分为60段,轮廓A的等分点依次为A0、A1、A2…A58、A59,轮廓A的等分点依次为B0、B1、B2…B58、B59,将脚标相同的点相互连线,这样就可以得到20跟直线段,分别将其命名为L0、L1、L2…L58、L59,这60跟直线段就是未来铣削工具刀头纵向轴线的位置(为简要说明,这里忽略刀头自身直径,实际加工时的位置应先将轮廓向内偏移出刀头半径的距离后再按照上述方法求出),在确定纵向轴线位置后还需要确定出机械臂转换工具头部与铣削刀具的相对位置,通常情况下,转换工具的纵向轴线是与刀头纵向轴线共面且相互垂直的一条直线,由于这样的直线在空间中存在无数根,所以它的决定一是要根据铣削刀具的长度,二是要机械臂和刀具不发生碰撞为前提的条件下使刀具达到加工路径。条件一的判定依铣削刀具而异,条件二则要根据一些碰撞测试或者模拟才可以完成。这些过程统统都可以在GRASSHOPPER中实现。

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以上工作完成后,我们实际上可以确定一个唯一的平面,这个平面与平行于转换工具横截面平行,其Z轴就是转换工具纵向轴线,原点则根据实际的工具确定,我们将这个唯一确定的平面称之为“即时工作平面”,即上文提到的的“逆向”的初始位置。

至此我们就可以将这个“即时工作平面”的平面参数传递给机械臂模拟控件,通过它我们就可以实现机械臂的实时模拟,并获得机械臂各部分即时相对位置的数据,由于我们选取了60个路径,这里就可以得到60组数据,每组数据的内容如下,反映出该位置机械臂各部分相对初始状态的位置变化。铣削加工模拟的基本原理就是这样。

热线切割
热线切割是利用高温的电阻丝依次通过指定的路径点来实现加工成型的,其加工对象主要为泡沫。利用热线切割的方法可以得到一些相对平滑的表面。
下图3.3所示为一热线切割过程的模拟,其基本原理与铣削加工类似,无非是“即时工作平面”确定方法发生了改变。

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弯折
弯折主要是用于对软金属材料的加工成型,常见的加工工具有夹具,但是夹具作用力会对软金属的造成一些损伤,目前大多采用真空吸盘的方式完成弯折。

仅仅凭借一台机械臂是难以完成弯折的,通常还需要一个辅助台面或固定的真空吸盘将材料吸附固定,之后再由机械臂完成弯折的动作。弯折动作的本质仍然是机械臂的工具端按照指定的路径运动,材料在吸盘的作用力下改变自身的形状达到预期的弯折效果。因此,我们通常在grasshopper先模拟出材料受力后如何发生形变来保证我们能够得到预期的弯折效果,grasshopper中的力学模拟软件比较多,基本都可以完成这类模拟,如下图3.5所示。

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在完成弯折力学模拟后,我们就可以在模拟时使用的施力点确定一个“即时工作平面”,此平面随着弯折的进行而实时改变,其改变带动机械臂各组成部分发生空闲位置的时时变化,当弯折过程结束后我们就可以得到一组数据,记录了机械臂各部分在弯折过程中的形态位置的数据信息,理论上将这组数据信息经过编码装换为机器语言后机械臂就会现实环境中实现一列动作,完成对材料的加工。

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夹砌
夹砌是一系列复杂动作的集合,主要包括夹取、运送、精确放置、归位等,其中一些动作还包括若干个子动作,可以说夹砌是各类加工中最为复杂的一种。它的基本原理同上述三种加工方式是一致的的,复杂之处在于将自身包含的各个动作协调起来。简单说明,在夹取工作对象时需要将夹具准确定位在目标的上方,完成夹具打开的动作,再次移动到贴近目标的位置,闭合夹具(模拟时需加入判断模块保证夹具固定目标,真是加工时需外部压力感应信号作为判断),提升,按照指定路径运送到需要放置的位置,松开夹具,按照指定路径复位。完成上述一系列动作之后,循环进行下一个目标对象的夹砌。整个过程如下图3.7所示.

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4总结及未来前景

通过对铣削、热线切割、弯折、夹砌的机械臂动作的模拟,笔者深刻体会到建模逻辑和建造逻辑统一的必要性,机械臂固然可以帮助建筑师完成一些异形材料的加工,但各种“异形”一定是建立在加工对象“可参”的基础上的,否则在一定意义上就是去了数字化建造意义。

另一方面,目前国外很多院校都专门开设了数字化建造的相关课程,在机械臂等数控加工领域都做出了积极地尝试,对于培养学生们的设计逻辑是大有裨益的。反观国内的建筑学科教育,专门开设数字化建造课程的院校寥寥无几,这对于学科建设、学校竞争力、学生综合素质的培养都是十分不利的。尤其是这样一个涵盖学科范围广泛的研究领域,其学科建设需要大量的人力与物力支持。

未来若干年随着我国由制造业大国向制造业强国的转变,数字化建造技术将成为制造业的主要推动力量,它将在建筑产业的升级与发展、推动新型结构体系与建筑材料的运用、深化BIM协同设计管理平台建设等方面发挥实际作用。

参考文献:
1 .基于数控加工技术(CNC)的建构设计方法研究 袁烽 葛俩峰 2011.
2. CATIA V5数控加工教程 詹熙达 2008.
3. Digital Materiality in Architecture – Fabio Gramazio , Matthias Kohler
4. MIT Common Sense Computing Group. 2008 OpenMind Commons.

http://commons.media.mit.ede:3000/.

5. Brooks, R. 2002, Flesh and Machines. New York:Pantheon.
6. Sass, L., Materializing a Design with Plywood. In Proc. ECAADE, 2007.
7. Villalon, R. and Lobel, J. 2007, Materializaing Design: Contemporary Issues in the Use of CAD/CAM
Technology in the Architectural Design and Fabrication Process. In Proc. ASCAAD 2007.
8. HALv0.03-MANUAL_Rev0 http://wp.thibaultschwartz.com/
9. kukaprc_gh http://www.robotsinarchitecture.org/

图注:
图1.1 国外院校开展的数字化建造课程
图1.2 瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH)运用机械臂搭建的建筑围护结构
图2.1 数控机械臂六个关节示意
图2.2 数控机械臂7个组成部分示意
图2.3 数控机械臂路径模拟示意
图3.1瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH)运用机械臂进行铣削加工
图3.2 在GRASSHOPPER中模拟铣削加工及生成数据
图3.3 在GRASSHOPPER中模拟热线切割
图3.4 国外研究团队运用机械臂热线切割原理完成实体搭建
图3.5 在软件中完成材料受弯力学模拟
图3.6 弯折加工实际案例
图3.7 夹砌过程的模拟
图3.8瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH)运用机械臂进行砖体的夹砌搭建

 

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