Naukowcy tworzą struktury kinetyczne z plastikowych butelek, siłowników liniowych i trójwymiarowych łączników drukowanych

Wiosną ubiegłego roku usłyszeliśmy o intrygującym projekcie badawczym z niemieckiego Hasso-Plattner Institute (HPI), zwanego TrussFab. Zintegrowany, kompleksowy system oprogramowania 3D umożliwił zaprojektowanie solidnych struktur o dużej skali, a następnie określenie właściwej dystrybucji recyklowanych butelek plastikowych i trójwymiarowych złączek drukowanych w celu wytworzenia mocnego produktu końcowego, takiego jak most, który mógłby trzymaj ludzką wagę.

Podczas gdy te struktury były dość interesujące, były statyczne, jak w nieruchome. Ale HPI ukończył nowy projekt badawczy o nazwie TrussFormer, który opiera się na TrussFab i wykorzystuje zawiasy i siłowniki liniowe, aby dodać ruch do struktur.

Ten nowy system oprogramowania pozwala użytkownikom tworzyć duże struktury kinetyczne, które obejmują ruch i siły dynamiczne, z wydrukowanych w 3D koncentratorów i plastikowych butelek z recyklingu. Zespół HPI zaprezentuje w tym tygodniu nowy dokument zatytułowany "TrussFormer: 3D Printing Large Kinetic Structures" na konferencji Human Computer Interaction (UIST) w Berlinie; współautorami są Robert Kovacs, Alexandra Ion, Pedro Lopes, Tim Oesterreich, Johannes Filter, Philip Otto, Tobias Arndt, Nico Ring, Melvin Witte, Anton Synytsia z Oregon State University i Patrick Baudisch.

streszczenie brzmi: "TrussFormer opiera się na TrussFab, z którego dziedziczy zdolność tworzenia statycznych struktur kratownicowych na dużą skalę z trójwymiarowych łączników i butelek PET. TrussFormer dodaje ruch do tych struktur, umieszczając w nich siłowniki liniowe: ręcznie, zawinięte w elementy wielokrotnego użytku zwane aktywami lub demonstrując zamierzony ruch. TrussFormer sprawdza, czy wynikowa struktura jest mechanicznie dobra i wytrzyma siły dynamiczne wynikające z ruchu. Aby wytworzyć projekt, TrussFormer generuje podstawowy system zawiasów, który można wydrukować na standardowych drukarkach 3D. Prezentujemy TrussFormer z kilkoma przykładowymi obiektami, w tym 6-nogowym robotem do chodzenia i 4-metrowym dinozaurem animatronicznym z 5 stopniami swobody. " CD3D .

System dodaje siłowniki liniowe do sztywnych struktur kratownicowych, zwanych kratownicami o zmiennej geometrii, aby zainicjować ruch organiczny, co oznacza, że ​​zawiasują wokół kilku punktów naraz. Jednym z przykładów, który to ilustruje, jest statyczny czworościan, który w przypadku wyłączenia krawędzi za pomocą siłownika liniowego staje się ruchomą strukturą. Rotacja jest możliwa dzięki wprowadzeniu połączeń lub zawiasów w systemiewęzły.

Zespół badawczy zademonstrował przepływ pracy TrussFormer na animatronicznym modelu T-rex. Po pierwsze, oprogramowanie projektuje statyczny kształt struktury z strukturalnie stabilnymi prymitywami, takimi jak ośmiościan i czworościan. W programie TrussFormer istnieją trzy różne sposoby animowania struktur:

Pierwsza metoda jest przeznaczona dla początkujących, a trzecia dla użytkowników aktywnie zdobywających wiedzę inżynierską. Aby dodać ruch za pomocą narzędzia "pokaż ruch", głowica T-rex zostaje pociągnięta do dołu; następnie system umieszcza element uruchamiający, który zamienia ciało w strukturę zdolną do pochylenia.

TrussFormer następnie sprawdza, czy mechanizm jest stabilny strukturalnie podczas sprawdzania stabilności w różnych pozach struktury, aby użytkownicy nie t produkują nieprawidłowe konfiguracje.

"W tle TrussFormer znajduje bezpieczny zakres ekspansji i kurczenia się umieszczonego siłownika, symulując występujące siły w różnych pozycjach" - wyjaśniają naukowcy na stronie projektu HPI . "Jeśli istnieje pozycja, w której siły przekraczają ustalone limity łamania lub struktura przewróci się, TrussFormer ustala granice dla siłownika, aby nie rozciągał się poza nie."

Po panelu animacji jest otwierany na pasku narzędzi oprogramowania, suwaki mogą być używane do ręcznego sterowania i testowania ruchu struktury. Po znalezieniu pożądanej pozycji użytkownicy mogą dodać ją do osi czasu animacji jako klatki kluczowej. Dzięki temu użytkownicy TrussFormer mogą sterować przemieszczaniem się wszystkich urządzeń wykonawczych za pomocą prostej linii czasu i edytora: na przykład zachowanie żywieniowe, w którym T-rex otwiera usta, pochyla się i macha ogonem, można łatwo zaprogramować. < / p>

Po zdefiniowaniu animacji struktury, TrussFormer oblicza siły dynamiczne. W przykładzie ruchu korpusu T-rex poruszającego się w górę iw dół, duże przyspieszenie długiej szyjki prowadzi do wysokich sił bezwładności, które przekraczają granicę wytrzymałości konstrukcji i powodują awarię konstrukcji. Może to być trudne do zrealizowania przed czasem, ponieważ często siły bezwładności są znacznie wyższe niż statyczne obciążenie w konstrukcji. Dlatego oprogramowanie automatycznie koryguje sekwencję animacji - ograniczając zakres ruchów lub przyspieszeń - tak, aby struktura mogła się utrzymać.

Przycisk "Wytwarzanie" jest naciskany, gdy użytkownicy są zadowoleni z struktura, ruch i animacja projektu. Spowoduje to uruchomienie zawiasualgorytm generacji, który analizuje ruch struktury i generuje poprawną geometrię dla węzłów i zawiasów do druku 3D; są dostarczane z nadrukiem identyfikacyjnym, co ułatwia montaż. W przypadku T-rex eksportowane są 42 piasty, z 135 częściami zawiasów.

Oprogramowanie eksportuje wzorce animacji jako kod Arduino, a na koniec wyprowadza plik specyfikacji z prędkością, zakresem ruchu i siłą siłowniki, aby użytkownicy mogli "osiągnąć pożądany wzór animacji".

"TrussFormer pomaga użytkownikom w 3 głównych krokach procesu projektowania", podsumowują naukowcy. "(1) Umożliwia użytkownikom animowanie dużych struktur kratownicy poprzez dodanie do nich siłowników liniowych. Oferuje on trzy narzędzia do tego celu: ręczne umieszczanie siłownika, umieszczanie zasobów wykonujących predefiniowane ruchy i tworzenie ruchu za pomocą demonstracji. (2) TrussFormer sprawdza projekt w czasie rzeczywistym przed siłami statycznymi, statycznymi siłami we wszystkich pozach i siłami dynamicznymi. (3) TrussFormer automatycznie generuje niezbędne zawiasy do drukowania 3D do wytwarzania struktury. Jego algorytm określa umiejscowienie i konfigurację zawiasów oraz ich dokładne wymiary. "