交互式机器人抹灰：用于现场机器人抹灰的增强交互式设计与制造

文献标题

Interactive Robotic Plastering: Augmented Interactive Design and Fabrication for On-site Robotic Plastering

文献信息

• 主题领域: 人机交互、建筑机器人、增强现实与数字制造
• 关键词: 交互式制作、增强现实、机器人、数字化制作、编程示范、建筑自动化、用户研究、全尺寸样机、人机协作、设计与制造一体化

研究背景与问题

• 问题与挑战:
  • 建筑中复杂或柔性材料（如石膏等）的使用传统上依赖于技艺与手工经验，难以完全自动化。
  • 传统的机器人流程主要依赖预先设定好的线性操作顺序，但施工现场环境的不确定性增加了自动化的复杂性。
  • 当前缺乏一种让设计师与熟练工人能够与机器实时协作完成建筑制造的工具。
• 重要性:
  • 石膏喷涂作为建筑中的一种关键工艺，能够通过机器人实现更高效、更精确的操作，同时降低体力劳动的需求。
  • 在施工过程中融合工匠经验与机器人精准度，有助于探索全新的设计与制造可能性。
• 研究动机与相关工作:
  • 人机协作的研究主要集中在人类如何通过交互直接影响物理制造结果。
  • 虽然目前已经有此方向的部分研究，但大多局限于小规模或缺乏用户实时反馈的场景。
  • 此外，研究未充分利用增强现实来增强用户在施工现场与机器人互动的能力。

解决方案

• 主要方法与系统:
  • 提出一种交互式机器人石膏喷涂系统（IRoP），结合了设计工具、增强现实界面和机器人喷涂系统。
  • 系统通过控制器的用户语义输入，生成适配材料与机械约束的机器人运动轨迹。
  • 采用一种“示范式编程”方法，允许用户通过直接操作控制器来生成复杂的机器人轨迹。
• 创新之处:
  • 实现了在施工现场集成实时交互设计与机器人制造流程。
  • 提供了一种投影增强现实的界面，帮助用户在设计过程中及时判断设计效果。
  • 打破传统CAD文件驱动的机器人制造流程，允许用户以更低的成本直接与机器人交互。
• 实施步骤:
  1. 过滤器选择: 允许用户选择和定义不同的风格过滤器，将人类动作映射为机器人轨迹。
  2. 设计模式: 用户通过物理操作直接绘制或调整设计草图，完成墙面石膏设计。
  3. 喷涂执行: 提交设计方案后，系统生成运动轨迹，机器人根据轨迹进行石膏喷涂。
  4. 信息反馈与调整: 使用深度相机扫描目标表面，通过实时反馈调整后续路径。
• 关键技术:
  • 运动跟踪技术: 使用HTC Vive运动捕捉设备实现高精度的手动路径输入。
  • 增强现实投影: 通过投影仪将设计信息实时投影到施工墙面上。
  • 计算模型: 使用Python与Grasshopper搭建交互式3D建模环境，实时生成并调整机器人轨迹。

研究成果

• 具体成果:
  • 实现了一个集计算、视觉和机器人技术于一体的动态交互式石膏制造系统。
  • 创建了多个风格过滤器，用户可使用不同的操作模式生成艺术性、高复杂度的石膏墙体表面。
  • 开发了全面支持人机协作的现场增强用户界面，适用于设计师和熟练工人。
• 比较优越性:
  • 与传统的自动化系统相比，IRoP允许用户根据实际工作环境动态决策并即时调整加工路径。
  • 为具有不同技术背景的用户（设计师和熟练工人）提供了访问门槛极低的机器人制造接口。
• 实验与评估结果:
  1. 设计师参与研究:
     • 在实验中，18位设计师参与了一个110平方米的室内墙面项目。
     • 设计师对实时1:1比例设计和全流程的用户参与度表示认可，认为系统直观易用。
  2. 熟练工人使用体验:
     • 五名专业石膏工人在短时间内学会使用IRoP并完成了试验任务。
     • 用户普遍认可该系统的“游戏化”特性，表示易用、直观、有趣。
• 局限性与未来方向:
  • 当前系统的硬件依然存在空间覆盖范围限制，仍需手动移动机器人定位。
  • 增强现实投影受制于设备视角范围，未来可引入移动投影设备改进。
  • 系统需进一步扩展功能以适用于更多实际施工任务及其他材料环境。
  • 提出未来方向包括远程协作设计、多种可自定义交互设备的加入，以及扩展到移动机器人平台。