探讨机器人在建筑中的应用

发表时间:2018/11/7   来源:《建筑学研究前沿》2018年第17期   作者:陈玉莹
[导读] 机器人是一种由电脑程序或是电路信号控制的半自动或自动的机械装置。
湛江鸿迪建筑设计有限公司  广东湛江  524000
  摘要:本文是一篇介绍机器人在建筑中应用的文章。主要分两部分讲述:先介绍机器人的功能、构造和在建筑领域中常用的操作模式。再着重叙述其在建筑领域中的应用,包括在国内外建筑院校的研究情况,还有三种应用领域:机器人与数字化建造,机器人与新材料的结合,机器人与新技术的结合。以期读者能从文中找到以下两个问题的答案:1,什么是机器人?2,机器人在建筑中有什么作用?
  关键词:数字化建造;机械臂;六轴机器人;操作模式;设计探索
  
  
  1机器人
  机器人是一种由电脑程序或是电路信号控制的半自动或自动的机械装置。它既可以由人们现场操控指挥,亦可运行预先编排的程序,还可以根据人工智能(比如植入感应器)做出反应。机器人可以替代或是协助人类的工作,特别是在高危险行业,或是在工作恶劣或是严苛的环境下,或是高精度的工作条件,机器人就突显其优越性。它广泛用于生产制造业、医学、建筑、太空探索、军事等领域。2011年美国好奇号航空探测器在火星着陆,依靠的就是长2.1米的机械手臂控制设备,其中包括X射线光谱仪和火星手持成像仪,还有相关的采样仪器。机械臂通过三个关节向前延伸和收缩,并能360度旋转,从而相机灵活旋转,拍摄出符合要求的高清图片,机器臂的端部还附上钻头,可钻入岩石内部进行采样,经过数据分析再传回到地球的指挥中心。
  1.1工业机器人
  在建筑制造业中,所采用的机器人均为工业机器人。1987年国际标准化组织对工业机器人进行了定义:“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能,能完成各种作业的可编程操作机。”
  工业机器人绝大部分都是外形酷似人的手臂,也称机械臂。它模仿人的手臂构造,由多关节连结并可在平面或三维空间进行位移、旋转等运动。它工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业,或是危险、恶劣环境下的作业,例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工等工序上。在建造业上,由于它具有一定的通用性和兼容性,还可以和数控机床结合,一起完成材料的制作和加工,满足数字化设计的需要。
  以库卡机器人为例,其工业机器人人按负载量区分为低负荷、中等负荷、高负荷、重负荷机器人,其可承受的荷载量最大值可至1300千克。还研发出各种特殊构造型式机器人,满足不同工作环境和条件的需求,包括有电弧焊机器人、铸造机器人、货盘堆垛机器人、冲压连线机器人、架装式机器人、SCARA机器人、净室机器人和高精度机器人。精确度一般为0.1mm以下,有的甚至达到了0.04mm以下。另外,机器人的移位速度快,可以达到3m/s,甚至更快。
  1.2机械臂的构造
  构造上由机械主体、控制器、伺服机构和感应器所组成,并由程式根据作业需求设定其一定的指定动作。机器人的运作由电动机驱动移动一只机械手臂,进行关节旋转或线性位移,并精确的回馈至可编程逻辑的控制器。这种自动装置机械模拟人的臂部、腕部与手部动作,由工作人员将运动轨迹转化为代码输入后,便可依照设计要求进行运动,且可昼夜不间断反复完成无数次的规律运作。对比人手的运动,机械手臂的速度更快、更灵活、更精准,空间活动范围更大,可以承受人力无法承受的荷载,并且不分时间地点,反复地工作。
  从关节构造上,机械臂一般有三轴、四轴、六轴,所谓的轴,就是运动自由度。四轴SCARA机械手臂,前三个轴均可在水平面上左右自由旋转,第四个轴由金属杆和夹持器组成。该金属杆可以在垂直平面内向上和向下移动或围绕其垂直轴旋转,但不能倾斜。这种独特的设计使四轴机器人具有很强的刚性,从而使它们能够胜任高速和高重复性的工作。在包装应用中,四轴机器人擅长高速取放和其他材料处理任务。六轴机器人比四轴机器人多两个关节,因此有更多的“行动自由度”。六轴机器人的第一个关节能像四轴机器人一样在水平面自由旋转,后两个关节能在垂直平面移动。此外,六轴机器人有一个“肘”关节,两个“腕”关节,这让它具有人类的手臂和手腕类似的能力。六轴机器人更多的关节意味着他们可以拿起任意朝向的部件,以特殊的角度进行安装。
  1.3机器人的操作模式
  1.3.1机器人的控制系统
  机器人控制系统是机器人的大脑,是决定机器人功能和性能的主要因素。机器人控制技术的主要任务就是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、运动轨迹、操作顺序及动作的时间等。按指令输入方式区分有编程输入(电脑程序控制)和示教输入型(手动控制)两类。编程输入型也就是电脑程序控制,是将计算机上已编好的程序文件传送到机器人控制柜,由此控制机器人运动,并没有用到示教盒(即手动控制器),此种方式适合复杂和需要精确定位的运动轨迹设定。示教输入型即手动控制器,每个不同厂家的示教盒的界面设置都不一样,但总的来说,这种操作方法适合简单的并且不需要精准定位的机器人运动模式。示教方法有两种:一种是由操作者用示教操纵盒,将指令信号传给驱动系统,,机器人按照要求作出相应的动作顺序和运动轨迹,此信息自动存入到程序存储器中,是可以再次重复运作的;另一种是由操作者直接现场通过示教盒进行操控,机器人按照要求进行运动,松开按钮机器人便停止运动,此种操作方式适合不需精准定位的项目,可按实际情况随时更改运动轨迹。当然在实际项目操作中,也常出现两种操作模式混合运作的,当发现编程输入的运动的轨迹与想要达到的效果有些许出入,重新编写再输入比较麻烦时,可以先让机器人停下来,改用手动输入,修正其运动轨迹。
  由于不同品牌有不同的系统设置,甚至于同一个品牌应对不同用途的机器人控制系统的设置也是不一样的。下面笔者针对建筑学领域,讲解下跟建筑相对应的编程输入系统。编程输入系统由两部分组成,首先是设置运动轨迹、时间、路线等,另外就是将这些信息转译为机器语言,传输到信息中心。设置运动模式常用的软件有MAYA和RHINO、GRASSHOPPER。MAYA是一个集合建模、模拟、动画制作的软件。其中有一个动画模块(ANIMATION),机器人的运动轨迹、运动时间、运动曲线就是在这个版块中设定好的。常用的路径设置方式有关键帧设定和指定路径设定。这两种路径设定都是以机械臂的最末端的轴心,类似人的手心为基准点,关键桢设定是按照时间的先后和时间的长短定位好每个起始点、定位点、转折点、终点,最后,机械臂会根据设定的点进行直线行走,最终形成连续的运动轨迹。指定路径的设定是先绘制出运动轨迹曲线,然后将机械臂的末端轴心附着在曲线上,设定好运动的时间,此种方式可让机械臂按任意的曲线轨迹行走,不用拘泥于直线运动。RHINO和GRASSHOPPER是数字化设计软件,为了便于建筑设计师的操控,机械臂的操控系统也在GRASSHOPPER上开发了相关的插件,控制其运动的方向、轨迹、时间,亦可将末端轴心附着在曲线上,让其沿着该路径运动。
  设置完机械臂的运动轨迹之后,需要将这些可视化的运动转换为机器能读取的代码,这就需要提到设计软件与机器人信息中心的交互媒介——机器人编程,每个不同品牌的交互界面设置都不一样,但共同点是并不需要使用者有非常专业编程语言,厂商已经为使用者开发了很多编程模块,只需要将文件导入,按顺序排列,再输入简单的编程命令,机器人就可以成功读取了。
  1.3.2机械臂与工具的结合
  在实际项目操作中,机器人提供的是运动方式,具体的功能是需要在机械臂加上工具,以此来满足不同的功能需求。如图为原SCIARC助教Jonathan和Brandon利用机械臂的实验。

材料为两段PETG管,运行了两台机械臂,其中一台在端部安装上热空气喷枪,为的是使PETG(透明塑料)软化,另一台段部附上一个金属夹,并为其输入制定的程序,机器人便在热空气的作用下将每段透明塑料依次旋转不同的角度,并将其按照顺序叠放在一起,最后在其中一台即机械臂上安装上带着黑色颜料的空气喷枪为其上色,最终完成一件非常精美的艺术品。
  建造用的机器人末端工具安装根据功能不同,可以在端部安上电钻、焊接装备、切割刀、激光切割设备等,满足不同的建造需求。
  2.机器人在建筑设计中的探索
  2.1在国内外的建筑院校的发展情况
  目前机器人在建筑中的探索还尚属初步,但发展速度非常迅猛。主要原因是数字化设计越来越被设计师们引入到实际项目设计中,这就衍生出一个数字化建造的问题。CNC、激光切割技术、3D 打印、机械臂等工业设计的相关技术和设备被相继被引入并应用到数字化建造中来。但是,机械臂的作用绝不仅仅限于建造领域,同时还可以跟相关的学科,比如视觉艺术、材料学、智能技术等结合,开拓思维,大胆尝试,探索建筑设计新的可能性。
  国外许多建筑学院和研发团队都开展了机械臂的应用研究并建立了相应的机器人实验室,包括世界一流的建筑院校,哈佛大学建筑学院(GSD),苏黎世联邦理工学院建筑系(ETH Zurich D-ARCH),麻省理工学院媒体实验室(MIT MEDIA LAB),密歇根大学建筑学院(UMICH),南加州建筑学院(SCI-ARC)都设置了机器人实验室。其中,苏黎世联邦理工学院建筑系和密歇根大学建筑学院对于机械臂的研究主要偏向于建造方面,包括材料的切割、铣削、弯折和施工中夹砌等做法,完成不少项目实践。麻省理工学院媒体实验室和南加州建筑学院研究侧重于探索新的设计实践,采用机械臂与材料和技术的结合,探索新的设计可能。其中,SCI-ARC引进六台六轴机器人,建成机器人实验室。该实验室分为两个区域,一个区域是电脑程序控制区,另一个区域是机器人实验区。其中,五台大机械臂均为固定安装,分别为两台一组和三台一组,方便协同合作,另外一台小机械臂则可以根据需要灵活移动,满足各种设计可能性。
  据了解,国内高校已经引进机器人实验室的有清华大学建筑学院和同济大学建筑学院,正在积极的进行机械臂应用的探索。而华南理工大学建筑学院也即将成立机器人实验室,越来越多的建筑院校已经开始采用这一技术进行设计创新和设计探索。
  2.1机器人在建筑设计中的探索
  机器人的运用无疑是颠覆传统的建造模式,为数字化设计提供强有力的建造技术支持。它甚至还可以跟3D打印、数控机床、激光切割结合,打造出一套全新的建造技术和工艺。同时,通过对机器人的操控,结合新型材料,进行相关设计。或者采用技术与机械臂结合,虚拟现实,探索新的设计可能性。
  2.1.1机器人与数字化建造
  在机器人的支持下,完成数字建筑从“生成”到“建造”的过程。通过铣削、热线切割、弯折、夹砌等建造手段对材料进行数字化加工并最终建造完成。由于在数字时代,一个展亭可能是有成千上万不同尺寸和形状的材料组成,传统的建造方式已经无法完成这么复杂的材料切割和最终的建造,但是藉由机器人,输入数字程式,便可轻松完成建造的整个过程。譬如我们以碳纤维和玻璃纤维为材料,依附于一个事先设计好的钢结构。在计算机中预先将机械臂的运动轨迹、运动的先后顺序都编排好,再转化为机器人代码。机械臂的端部安装上编织的工具,最后通过机械臂的运动来编织表皮肌理,像“织布”一样建造。
  2.1.2机器人与新材料结合
  当机器人与材料,特别是智能材料结合,通过对机械臂运动的操作,可以直接“制作”出产品。获得2012年盖里奖是SCIARC两位学生Kyle和liz_von所做的毕业设计——幻影(PHANTOM),采用液态环氧树脂,当其在激光的照射下会固化。利用这一特性,,设计者在机械臂的端部安装了盛放液体硅的亚克力透明器皿,在器皿的下方设置了一个激光装置,该装置是通过ARDUINO(一个基于开放原始码的软硬件平台,硬件平台是可通过连接各种传感器来感知环境,也可连接各种LED、马达作为输出装置,软件平台是可连接PC,在其上通过ARDUINO的编程来编写语言,亦可连接PC上的各种互动软件,如PROCESSING,GRASSHOPPER,FLASH等。)与计算机连接,由此控制激光形态的时间变化。设计者必须经过反复的实验,得出液态硅在激光作用下凝固的时间和材料的厚度等参数。然后在MAYA软件中设计出大体的形态,根据材料的厚度对模型进行断面切割。切割之后的断面便是液态硅每凝固一次,激光所呈现出来的形态。同时,在连接每个断面的中点便得出机械臂运动的轨迹曲线,再根据材料的凝固时间对该运动曲线赋予相应的运动时间。最后,将所有的文件导入到机器的程序界面,进行代码转译。经过反复的校对和尝试,最后用机械臂“制造”出一个类似溶洞石钟乳的作品。不得不说,这个作品与3D打印机有异曲同工之妙,均巧妙的利用了液态硅和激光的凝固,其优势之处在于很好地利用了机械臂的运动作用,挣脱了3D打印机对于打印物体尺寸要求的束缚,而且打印时物体直接悬空,不需要支撑的外在媒介。
  2.1.3机器人与技术结合
  当机器人与技术相结合,可以虚拟现实,与视觉媒体艺术相融合,探索新的设计可能。下面笔者在SCIARC就读期间,与组员Brian Harms、Haejun和Vince Huang做过的两个机器人实验研究项目,以此进行实例说明。激光和镜子的相互运动,将三面镜子与三个机械臂的终端固定,其中一个镜子中间开孔藏着激光笔,机械臂的运动带动镜子的运动,由于光的反射作用,激光在三面镜子的之间不断反射,同时通过设置机械臂不同的运动轨迹,形成千变万化的光路径。
  再如另一个虚拟现实——流体特效(REALFLOW),首先,在MAYA中安装REALFLOW插件,这是一个能模拟液体流动的软件,模拟水注入容器从空到满的状态,制作成动画之后,将每一帧(24帧/秒)容器中的水的状态定格并进行断面切割,输入到显示屏幕。一台机械臂终端固定着显示屏幕,屏幕中播放设置好的流体运动的断面视频,并进行来回运动,另一台机械臂握着一台照相机静止不动,并设置相机的自动拍摄时间。机械臂从前到后走一次相机便拍摄一次,相机的曝光时间就是机械臂走一次的时间,当机械臂从后到前进行回位运动时,屏幕中不显示任何东西,相机也停止拍摄。所以每张相片拍摄出来都呈现出机械臂从前到后这一时间内,屏幕显示出的所有影像。机械臂进行往复运动,相机也拍摄出几百张照片,最后将拍摄出来的照片在AFTER EFFECT合成之后可以看到流体悬浮在空中水被注入容器的流动画面,这就是非常奇幻的虚拟现实手法。
  在机械臂的终端安上空气喷枪并配上不同的颜料,机器人便可以绘画。如果为机器人加上纺织的工具,为其设置好相应的程序代码,机器人也可以为模特“打印”出一套不可思议的衣服。机器人的运用千变万化,配上不同的工具,设置不同的运动路径,编制不同的程序代码,它便会制作出各种各样的“产品”。
  3.结语
  科技迅猛发展,工业的变革带来了其它领域的革新和发展,建筑业也受到了强烈的冲击和影响。数字化设计已经受到业内的广泛关注,如何让数字化建造满足设计的需求,在实际项目中能有效地、高效地、合理地被运用,是我们所需要研究和进行不断地探索。所幸的是,国内对于新技术的引入十分迅速,现在这一领域已经受到大家的关注。两年前国内的业界朋友绝大部分都不知道3D打印机为何物,两年之后已经被很多人所认识和接受了。相信机器人在建筑中的运用也会很快被大家所熟知,越来越多人参与到这一领域的开发和研究,让机器人更好地为我们行业所服务。
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