AirForce: 基于单一管道的个人制造大型承重动画结构

文献标题

AirForce: Personal Fabrication of Large-Scale, Load-Bearing Animatronics Structures from a Single Tube

出版信息

• 主题领域: 使用充气管道制作大型可动桁架结构的个人化制造。
• 关键词: AirForce, 单管结构, 气动驱动器, 个人制造, 动画机械装置, 充气桁架, 承重, 软体机器人, Blender插件, 可重复使用材料。

背景与问题

• 问题/挑战: 当前制造大型桁架结构的方法要么需要复杂的多组件组装，要么缺乏集成的驱动能力。像AirTied这样的系统简化了组装，但不支持驱动功能。
• 重要性: 实现单用户组装大型承重且可驱动的结构，可以普及动画机械装置的使用，减少材料浪费，并简化运输和安装过程。
• 动机与相关工作: 之前关于桁架结构和软体机器人的研究展示了可扩展的设计和驱动能力，但通常依赖复杂的制造设置或不可重复使用的组件。AirForce在此基础上改进，通过在单管桁架设计中引入驱动功能，同时保持简单性和可重复使用性。

解决方案

• 提出的方法: AirForce是一个制造系统，用户可以使用单一充气管道及集成的气动驱动器，创建大型承重且可动画的结构。
• 创新点:
  1. 将三种气动驱动器（屈曲、肌肉、伸缩）集成到单管桁架结构中。
  2. 通过允许结构展开和重新折叠成新设计，实现近100%的材料重复利用。
  3. 提供Blender插件，用于设计、模拟和生成定制结构的制造指令。
  4. 定制硬件组件（鼓风机、进气口和高压管），以实现高效且安全的驱动。
• 流程与关键技术:
  1. 使用AirForce插件在Blender中设计结构，模拟驱动并优化管道布线。
  2. 生成并通过贴标指示应用组装说明。
  3. 使用魔术贴和定制鼓风机手动组装节点和驱动器。
  4. 使用智能手机应用或MIDI设备充气并控制结构。
  5. 拆卸并重复使用材料以创建新设计。

结果

• 具体发现:
  • 屈曲驱动器：峰值力480N（1.5m长度，200mbar）。
  • 伸缩驱动器：峰值力1400N（200mbar），行程30–40cm。
  • 肌肉驱动器：峰值力2330N（200mbar），线性收缩。
  • 制造时间：每条边约2分钟，每个鼓风机约10分钟。
  • 可重复使用性：实现近100%的材料重复利用。
• 相较基线的优势:
  • 消除了对3D打印节点的需求，与TrussFormer等系统相比，制造时间减少超过10倍。
  • 支持驱动功能，而AirTied不支持，同时保持单管设计的简洁性。
• 实验/评估:
  • 在不同负载和压力下对驱动器性能进行技术评估。
  • 用户研究：参与者平均用24分钟组装一个复杂的子组件（24条边，2个鼓风机）。
  • 应用实例：制作了一个16米长、8米高的动画机械霸王龙和一个能够承载人体重量的运动平台。
• 局限性与未来工作:
  • 局限性：鼓风机噪音较大（>60dB），驱动器的力曲线非线性，压力控制依赖用户判断。
  • 未来工作：研究节点处的力分布，探索用于动态应用的质量-弹簧-阻尼系统。

总结

AirForce引入了一种新颖的系统，用于从单一充气管道制作大型承重且可驱动的结构。通过集成三种气动驱动器并利用基于Blender的设计工作流，该系统实现了高效的单用户组装、几乎完全的材料重复利用以及对人类安全的驱动能力。评估结果表明，该系统在创建复杂动画机械装置（如运动平台和大型霸王龙雕塑）方面表现出色。未来工作将致力于优化结构动态性能并扩展在娱乐和触觉领域的应用范围。