Plusieurs drones collaborent pour imprimer une maison en 3D, et la recherche apparaît en couverture de Nature

Nous pouvons souvent voir des abeilles, des fourmis et d’autres animaux occupés à construire des nids. Après la sélection naturelle, leur efficacité de travail est étonnamment élevée. La capacité de division du travail et de coopération de ces animaux a été « transmise » aux drones. Une étude de l'Imperial College de Londres nous montre l'orientation future, comme ça. :

Dépoussiérage 3D par drone :

Ce mercredi, ce résultat de recherche est apparu en couverture de "Nature".

Adresse papier : https://www.nature.com/articles/s41586-022-04988-4

Pour démontrer les capacités du drone, les chercheurs ont utilisé de la mousse et un spécial des matériaux de ciment légers sont utilisés pour construire des structures dont la hauteur varie de 0,18 à 2,05 mètres. L'erreur par rapport au plan original était inférieure à 5 mm.

Pour prouver que le système pouvait gérer des formations de drones plus complexes, l'équipe a créé une séquence accélérée de traînées lumineuses à l'aide des lumières des drones, simulant la construction d'une grande structure en forme de dôme.

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Mirko Kovac, responsable de la recherche et directeur du laboratoire de robotique aérienne de l'Imperial College de Londres, a déclaré : Cette méthode pourrait être utilisée pour construire des bâtiments dans l'Arctique ou même sur Mars, ou pour aider à réparer des immeubles de grande hauteur qui sont habituellement nécessitent des échafaudages coûteux.

Cependant, la technologie est actuellement soumise à certaines limites, car les drones sont difficiles à transporter des objets lourds, nécessitent une recharge régulière et nécessitent toujours une surveillance humaine. Cependant, les chercheurs espèrent atténuer certains de ces problèmes en chargeant automatiquement les drones pendant les projets de recherche.

Comment l'impression 3D par drone est-elle mise en œuvre ? À cet égard, les chercheurs ont construit un système sophistiqué.

Introduction à la recherche

Pour améliorer la productivité et la sécurité, une technologie de construction basée sur des robots a été proposée pour l'assemblage de composants de construction et la fabrication additive continue de forme libre (AM, fabrication additive). Par rapport aux méthodes basées sur l'assemblage, la FA continue de forme libre permet la production flexible de conceptions géométriquement variables avec une efficacité élevée et un faible coût. Cependant, ces grands systèmes doivent être connectés à une source d’alimentation, sont peu pratiques pour l’inspection, la maintenance et la réparation, et sont difficiles à fabriquer dans des environnements difficiles.

Comme alternative aux grands systèmes à robot unique, les petits robots mobiles peuvent offrir une plus grande flexibilité et évolutivité. Cependant, la recherche sur l’utilisation de formations robotisées pour la construction en est encore aux premiers stades exploratoires de développement. De plus, la hauteur de fonctionnement actuelle des multi-robots est limitée et ne peut fonctionner au-delà d’une certaine plage. La figure ci-dessous montre une comparaison entre les plates-formes robotiques SOTA développées pour la fabrication additive dans le secteur de la construction.

Les constructeurs naturels ont fait preuve d'une plus grande adaptabilité lors de la construction par rapport aux systèmes robotiques actuels et à leurs limites inhérentes, beaucoup ayant recours à des méthodes de construction volantes et additives pour ce faire. Par exemple, une hirondelle peut effectuer 1 200 vols entre la source des matériaux et le chantier de construction pour achever progressivement le nid. Les insectes sociaux tels que les termites et les guêpes font preuve d'un plus grand degré d'adaptabilité et d'évolutivité : la construction aérienne par les guêpes sociales a démontré une optimisation efficace et directe du chemin, facilitant ainsi la nécessité de naviguer tout au long du processus de construction.

Ces systèmes naturels inspirent des approches de construction collective multi-agents, qui nécessitent de résoudre des problèmes de coordination multi-agents au-delà des technologies actuellement disponibles. Outre les méthodes d’interaction collective pour les systèmes multi-robots, la conception et l’utilisation des matériaux ainsi que les mécanismes de manipulation de l’environnement doivent être intégrés et co-développés pour permettre une construction coopérative.

Le système proposé par l'Imperial College s'appelle Aerial-AM, qui combine des mécanismes de coopération biologique avec des principes d'ingénierie et utilise plusieurs drones pour y parvenir.

La réalisation de la fabrication additive autonome par l'équipe UAV nécessite le développement parallèle de plusieurs technologies clés, notamment : 1) Des robots aériens capables d'un dépôt de matériaux et d'une qualité d'impression de haute précision, d'une évaluation qualitative en temps réel ; des équipes qui peuvent interagir les unes avec les autres Diffusez leurs propres activités, partagez des données sans fil, sans interférer les unes avec les autres ; 3) Système de navigation et de planification des tâches autonome, déterminez et attribuez de manière adaptative les tâches de fabrication combinées à la stratégie du chemin d'impression 4) Concevez ou sélectionnez la planification des matériaux ; , mélange cimentaire particulièrement léger et imprimable, adapté aux méthodes de fabrication additive aérienne sans avoir recours à des coffrages ou à des échafaudages temporaires.

Aerial-AM utilise deux types de plates-formes robotiques aériennes, connues sous le nom de BuilDrone pour empiler des matériaux physiques et ScanDrone pour effectuer des scans aériens incrémentiels et des observations de vérification après le dépôt de chaque couche de matériau. Les deux plates-formes robotiques sont coordonnées sur leurs flux de travail respectifs via une approche multi-agent distribuée. Le cycle de construction comprend la caractérisation des performances d'impression en vol des BuildDrones et des ScanDrone, l'adaptation de la trajectoire en temps réel et l'impression des matériaux des BuildDrones, ainsi que la validation des résultats d'impression avec le ScanDrone et les superviseurs humains.

Figure 2. Cadre de FA aérienne pour une AM sans restriction et sans limite.

Le cadre multi-agent Aerial-AM proposé par la nouvelle recherche se compose de deux boucles fonctionnant sur l'échelle de temps lente de la planification et sur l'échelle de temps rapide des opérations en temps réel pour la fabrication et l'observation des progrès. Dans le cadre d'une validation de principe, les chercheurs ont utilisé un système de vision aéroportée ScanDrone pour effectuer des scans 3D afin de cartographier les progrès, construisant ainsi un grand cylindre à partir d'un matériau en mousse expansée.

Figure 3. Aerial-AM BuilDrone a imprimé une géométrie cylindrique de 2,05 m de haut avec 72 passes de dépôt de matériau et une évaluation d'impression en temps réel par ScanDrone.

Figure 4. Deux BuilDrones imprimant en 3D des cylindres à paroi mince à l'aide d'un robot delta à compensation d'erreur pour déposer du matériau cimentaire.

Figure 5. Surface rotative en forme de dôme d'impression virtuelle de piste optique multi-robot Aerial-AM. a, c sont des trajectoires de vol, b, d sont des vues de dessus et en perspective. f montre les résultats de simulation utilisant 15 robots pour imprimer une version agrandie de la géométrie avec un diamètre de base de 15 m.

Grâce au dépôt de matériaux de BuilDrone et à l'évaluation qualitative en temps réel des structures imprimées par ScanDrone, les chercheurs ont réussi à imprimer des cylindres jusqu'à 2,05 mètres de haut, démontrant la capacité de la méthode Aerial-AM à fabriquer de grands objets géométriques. Des expériences sur la fabrication de cylindres cimentaires à parois minces ont démontré que le couplage d'un robot delta parallèle auto-aligné avec un BuildDrone permet le dépôt de matériau dans les directions latérale et verticale avec une grande précision (erreur de position maximale de 5 mm), un puits de niveau dans les limites autorisées par les exigences de construction du Royaume-Uni.

Les résultats de la fabrication additive sur rail léger virtuel et des simulations démontrent que le cadre Aerial-AM peut imprimer efficacement diverses géométries grâce à une fabrication multi-robots parallèle tout en résolvant les encombrements et en complétant l'adaptation dans des conditions anormales.

Bien que ces expériences démontrent avec succès la faisabilité de l'Aerial-AM, elles ne constituent qu'une première étape dans l'exploration du potentiel de l'utilisation de robots aériens pour la construction. Les chercheurs ont déclaré que pour réaliser l'impression 3D de maisons avec des drones, des progrès significatifs sont nécessaires en robotique et en science des matériaux, en particulier dans des domaines de pointe tels que le dépôt de matériaux de support, la solidification de matériaux actifs et le partage des tâches entre plusieurs robots. . développer.

Quant au drone lui-même, afin de sortir les résultats de la recherche du laboratoire, les chercheurs envisagent de mettre en œuvre un système de positionnement et de cartographie simultanés multi-capteurs (SLAM) avec un système de positionnement global (GPS) différentiel pour fournir position extérieure suffisante.

Une fois pratique, Aerial-AM pourrait constituer un moyen alternatif de soutenir le logement et les infrastructures critiques dans les zones reculées.

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