AI制造新范式?空间测绘+移动3D打印原位制造

科技   2024-10-22 08:59   美国  
全文3500字,阅读需7分钟。本文分享LiDAR空间测绘+可移动FDM3D打印原位制造项目MobiPrint。
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AM易道导语:

在3D打印技术发展的进程中,我们见证了从小型桌面打印机到大型工业设备的跨越。
然而,当我们仔细思考现有3D打印技术的应用场景时,会发现一个现象:
几乎所有的3D打印设备都被束缚在固定的打印平台上,这种局限性不仅影响了打印物件的尺寸,更重要的是割裂了设计与实际应用环境之间的联系。
如何让3D打印机真正走进我们的生活空间,实现原位(in-situ)制造?
华盛顿大学和普渡大学的研究团队带来了一个令人耳目一新的解决方案。
另外,在AM易道看来,随着AI技术的发展,特别是在环境感知、自主决策等领域取得的突破,一种全新的智能制造范式正在浮现:
能够主动感知环境、自主规划路径、实时适应场景的智能制造系统。
AM易道认为,本文的项目恰恰触碰到了这个范式的边界。
突破性工作流程:从环境感知到实物制造
让我们首先来了解MobiPrint的核心工作理念。

这张图展示了系统的完整运作流程,它包含了三个关键场景:
左侧展示了机器人正在使用激光雷达扫描室内环境,中间展示了用户通过定制设计工具在生成的地图上进行交互操作,右侧则展示了机器人在指定位置进行实际打印。
这个完整的工作流程展示了MobiPrint如何将环境感知、交互设计和实物制造无缝结合。
特别值得注意的是图中右侧场景:一个正在打印拐杖支架的实际应用。
这个场景生动地诠释了核心价值,直接在使用环境中进行原位制造。
模块化硬件架构:精心打造的移动制造平台
来看这张爆炸图:

这张详细的工程图展示了系统的每个关键组件及其空间关系。从底部到顶部,我们可以看到:

底层移动平台:改装的Roborock S5扫地机器人构成了系统的基础。

图中清晰地展示了如何在保留原有激光雷达和避障传感器的同时,增加了额外的支撑结构。

这些黑色的支撑轮(图中突出显示)对于承载3D打印机的重量和保持系统稳定性起着关键作用。

结构支撑系统:从爆炸图中我们可以看到一个精心设计的悬臂式支撑结构。
这个构件(图中以银色显示)不仅要承载打印机的重量,还要确保打印头能够精确定位到地面。
支撑结构的每个连接点都经过优化,以最大程度减少打印过程中的振动。
打印机构:图中最上层的绿色部分是改装后的Prusa Mini+ FDM打印机。
注意打印机的特殊布置方式—通过悬臂结构将打印头延伸到机器人主体之外,这样的设计确保了打印头能够直接接触地面进行打印操作。
控制与供电系统:
虽然这些电子组件在爆炸图中不太显眼,但它们的布置经过精心考虑。
WiFi控制板被安置在易于散热但防护良好的位置,而电池组则被放置在重心较低的位置以提升整体稳定性。
交互式设计工具:赋能环境级制造
通过视频,我们可以看到MobiPrint的完整工作流程,这个流程图展示了四个关键环节:地图生成(Map)、模型选择(Select)、规划编辑(Plan + Edit)和实物打印(Print)。

每个环节都配有直观的界面截图,让我们得以一窥系统的实际运作方式。
下图则进一步展示了MobiPrint的设计工具界面,这是系统的核心交互平台。从图中我们可以看到三个主要功能页面:

地图管理界面(A) 左侧页面展示了系统的地图生成和管理功能。
注意观察界面顶部的控制按钮,它们允许用户启动新的扫描任务或重置现有地图。
地图上的不同颜色代表不同类型的区域,这种可视化方式帮助用户更好地理解空间布局。
模型库界面(B) 中间的界面展示了预设模型库,用户可以直接选择常用的打印模型。
每个模型都配有预览图和基本信息,方便用户快速选择合适的设计。这些预设模型都经过优化,确保能够在地面环境中稳定打印。
规划编辑界面(C) 右侧的编辑界面是最复杂也是最强大的部分。
注意观察界面中的测量工具、旋转控件和缩放选项,这些工具让用户能够精确控制打印物件的位置和参数。地图上的网格参考线帮助用户准确判断距离和方向。

实际应用案例:从概念到现实

家居功能性构件(A) 左上角的照片展示了三个实用案例:
  • 一个完美契合办公桌下空间的人体工学脚踏垫
  • 根据宠物尺寸定制的可调节高度餐盆支架
  • 创新的拐杖固定器安装在门边,防止拐杖滑倒

无障碍设施(B) 右上角的照片展示了地面触觉导向系统。
条纹的规则排列和清晰的纹理,这些细节对于视障人士的触觉感知至关重要。图中的比例尺显示了导向条的标准尺寸。
地面导向标识(C) 左下角展示的是会议场所的地面导向标识系统。
环境艺术装置(D) 右下角的照片展示了一个令人印象深刻的大型地面艺术装置。
这个5米×2.5米的花卉图案使用了不同颜色的材料,展示了系统在大尺度艺术创作中的潜力。

技术性能验证:精确的数据支持

下图展示了系统性能测试的专业设置和结果:

测试场地设置了一个2米×2米的标准区域,使用激光水平仪划分了精确的50厘米网格。图中可以看到:标准网格布局、机器人的实际运动轨迹、目标点与实际到达点的偏差测量。
因为这个设备是直接打印在地板上,所以附着力测试很重要。

  • A部分:展示了用于测试的标准化测试构件:一个带有圆形底座的挂钩结构。注意观察底座的设计,这种形状能够提供最大的接触面积。


  • B部分:展示了使用力计进行侧向拉力测试的场景。图中可以清楚地看到测试工具的放置角度和施力方向,这种标准化的测试方法确保了数据的可比性。


系统性能的深度分析

MobiPrint团队通过一系列严格的实验测试,全面验证了系统的实际性能。

在定位精度方面,研究团队在2米×2米的标准测试区域内进行了多组对照实验。

测试结果显示,得益于高精度激光雷达扫描系统和实时位置校正算法的配合,MobiPrint能够将平均定位误差控制在5.1厘米以内,这一精度水平完全满足大多数实际应用场景的需求。

在环境适应性测试中,研究团队选择了三个具有代表性的场景:单卧室公寓、创客空间和实验室走廊。

测试数据显示,系统能够在12分钟内完成120平方米单卧室公寓的建图工作,这个速度中规中矩,和市面上的扫地机器人差不多。

值得注意的是,当空间结构变得复杂时,如实验室和走廊的组合空间(174平方米),建图时间会相应增加到43分钟。这主要是因为系统需要处理更多的空间细节和障碍物信息。

AM易道认为,这些测试数据充分证明了MobiPrint在实际应用环境中的可靠性。

虽然其定位精度可能无法与固定式3D打印机相比,但考虑到其移动性和环境适应能力,这个精度水平已经能够很好地满足大多数环境级打印需求。

技术迭代路线

AM易道认为,MobiPrint的技术发展将围绕三个核心方向展开:

首先是提升打印质量,通过改进减振系统和优化机械结构来增强打印精度;

其次是扩展材料体系,开发更适合地面打印的专用材料

最后是增强智能化水平,引入深度学习算法优化导航和打印控制。

在更远的未来,我们可以期待看到多台MobiPrint协同工作的场景,这将显著提升大型项目的施工效率。

同时,系统的环境适应能力也将进一步增强,实现在更复杂地形上的稳定作业。

商业应用浅析

在建筑施工领域,传统的预制构件往往面临运输困难、现场安装复杂等问题。

而MobiPrint提供的空间测绘+原位制造能力,不仅可以解决这些问题,还能为施工现场带来更高的灵活性和效率。

特别是在一些需要快速响应的项目中,比如展会场地布置或临时设施搭建,这种技术的优势将更加明显。

智能家居应用也可以想象,MobiPrint能够根据实际环境进行原位定制,这种能力在智能家居的安装和改造中具有独特优势。

比如,可以直接在墙角打印出完美契合的智能设备固定装置,或者制作符合个人需求的功能性配件。

在公共设施服务领域,传统的无障碍设施改造往往耗时长、成本高,而且难以根据实际需求进行及时调整。

原位3D打印的出现为这个领域带来了新的可能性,使得无障碍设施的部署能够更加灵活和高效。

写在最后

空间测绘+可移动原位制造开创了环境级3D打印的新范式。

这项技术的成熟将重新定义3D打印的应用边界,让数字制造能力真正融入我们的日常环境。

虽然当前技术还存在一些待优化的方面,但其展现出的潜力已经足以证明这是一个值得期待的发展方向。

AM易道需要提醒各位读者的是,这个项目和英伟达下注的空间建模能力以及Feifei Li创业的空间智能方向在未来都可能产生接口。

如果深度迭代,项目展示的是让智能制造系统主动走进应用场景,通过AI的感知和决策能力,实现环境感知、自主导航和精确制造的有机统一。

是AM易道特别关注此项目的原因。

关于项目团队:

该项目由华盛顿大学保罗艾伦计算机科学与工程学院的Daniel Campos Zamora博士生主导开发,与现任普渡大学助理教授的Liang He(原华盛顿大学博士生)密切合作。

项目获得了美国国家科学基金会的研究资助(基金号:#1834629和#1763199),成果于2024年10月15日在匹兹堡举行的ACM用户界面软件和技术研讨会(UIST'24)上新发表。

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