基于计算路径生成和自适应末端执行器设计的机器人竹编技术

《AUTOMATION IN CONSTRUCTION》：Robotic bamboo weaving with computational path generation and adaptive end-effector design

竹编作为古老建筑技术，具有文化价值和碳封存优势，但人工密集成为推广瓶颈。本文提出机器人竹编框架，创新点包括基于结理论的计算路径生成方法（考虑结构约束与材料特性）和适配多规格竹材的定制单臂末端执行器。通过全尺寸物理实验验证，证明机器人编织可提升复杂三维编织结构的可制造性，为可持续建筑提供新方案。

　　

刘一格|王世通|Mehdi Makvandi|柴华|谢星星|高晓凡|袁菲利普·F.

同济大学建筑与城市规划学院，上海，中国

摘要

竹编工艺是一种利用生长迅速的竹材的最古老的建筑技术之一，它提供了一种具有文化意义和碳封存效益的建造方法。然而，这种工艺劳动密集型的特点成为其在建筑领域更广泛应用的障碍。为克服这一挑战，本文提出了一种基于机器人的竹编框架，其中包含两项主要创新。首先，引入了一种基于结理论的计算方法来生成编织路径，同时明确考虑了结构和材料的限制。其次，开发了一种定制的末端执行器，以适应不同的材料规格，并使单个机械臂能够在复杂的编织结构中执行交织操作。最后，通过全尺寸的物理实验验证了所提出框架的有效性。结果表明，将机器人制造技术与竹编工艺相结合是可行的，这有助于这种具有文化意义和可持续性的建筑替代方案在建筑领域的更广泛应用。

引言

竹编工艺是一种历史悠久的传统技艺，在历史上一直与建筑和建造密切相关。本节详细阐述了竹编在建筑领域的重要性和现有挑战，并回顾了有关机器人制造和计算建模的相关文献，以确定研究空白和目标。

竹编工艺是最古老的建筑技术之一，它涉及将线性竹材以交错的方式编织成稳定的二维或三维结构。这种古老的技术已经被使用了数千年[1]，如今在亚太地区、美洲和非洲的住宅中仍然可以看到编织的竹墙和屋顶。如今，竹编工艺在许多地区被认定为非物质文化遗产，反映了深厚的地方智慧和独特的区域美学。

此外，竹编工艺利用了生长迅速的植物资源，在碳替代和封存方面具有显著优势[2]。竹子以其快速的生长周期和出色的再生能力而闻名。它只需3-5年就能达到可收获的成熟状态，而木材则需要数十年才能达到类似的可用状态。此外，竹子通过光合作用吸收大量二氧化碳，每年的碳汇能力可达每公顷5至24吨[3]。

竹编工艺的文化意义和可持续性使其越来越受到当代建筑师的青睐。目前，其在建筑中的应用范围广泛，从临时亭子到永久性结构都有。除了作为装饰元素外，编织的竹材还在建筑外壳甚至结构部件（如屋顶和柱子）的制造中发挥着重要作用，凸显了其在建筑应用中的多功能性和潜力。

然而，竹编工艺的劳动密集型特点以及缺乏自动化制造技术，对其在建筑领域的广泛应用构成了重大挑战，尤其是在复杂的三维编织结构方面。目前的竹编行业严重依赖手工操作，这往往导致组装时间延长，以及设计意图与实际建成结果之间的差异。此外，竹编工艺需要技术高超的工匠，而这些工匠并非随处可见，而且建造质量会因工匠的个人熟练程度而有所不同。

为了对这项研究进行背景介绍，文献综述考察了两个互补领域的最新进展：机器人建造策略和编织结构的计算建模方法。

尽管在竹材的数字制造方法方面已经进行了大量研究，例如3D打印[4]、CNC铣削[6]以及AR/MR技术[7][8][9]，但关于机器人竹编的研究仍处于早期阶段，已发表的文献数量有限。在少数专注于机器人竹编的研究中，Lochnicki等人[10]研究了一种用于捆绑竹结构的分布式机器人建造系统，其中机器人被编程以响应天然竹秆束的弹性弯曲。Brugnaro等人[11]从织布鸟身上获得灵感，开发了基于代理系统和感官反馈的行为建造策略，用于编织藤条结构。在这个系统中，编织过程是由设计意图、制造限制、性能标准、材料特性和具体现场条件之间的协商产生的。Zanetti等人[12]开发了一种机器人编织框架，可以使用定制的笛卡尔坐标机器人逐层沉积各种柳条编织图案。

虽然上述研究提供了有价值的参考，但它们并没有完全解决与竹编相关的独特挑战。仍有几个关键挑战需要解决并进一步研究。其中一个挑战是开发高效的计算方法，以自动从任意编织图案生成机器人编织路径，同时考虑结构互锁和材料冲突。另一个挑战是设计一种适用于不同材料截面、尺寸和机械特性的机器人末端执行器，能够执行交织操作。

竹编模型的建立是计算设计领域的一个重要课题。Ayres等人[13]探讨了Kagome竹编的拓扑和几何原理，并基于三角形网格及其对偶开发了一种计算建模方法。Shinohara等人[14]研究了Kagome编织的形态学原理和结构行为的结合，提出了一种使用规则三角形网格组合来设计编织竹结构的计算方法。Vekhter等人[15]从竹编工艺中获得灵感，提出了一种用于设计和制造复杂三维编织结构的通用流程，使用的是直条。

然而，仍然存在一个关键的研究空白，即缺乏可靠的计算方法来计算不规则编织模式下交叉节点的“上下”材料交织顺序，这对于机器人路径规划和结构互锁保证非常重要。仔细设计交织顺序是生成机器人操作的前提，有助于确保交叉节点处的摩擦力足够大，以固定材料，保证整个编织结构的结构互锁。

目前生成材料交织关系的方法要么计算量庞大，要么仅限于规则编织图案。一种常用的方法是迭代算法，例如图遍历算法[16]，它逐节点、逐条带地计算交织关系。然而，当编织图案不规则且复杂时，这种方法需要复杂的规则。此外，这种方法无法提前识别拓扑约束，可能导致无法生成特定的“上下”交织顺序。另一种方法是平铺方法[17]，它需要在每个交叉节点手动定义交织类型。由于依赖手动定义，这种方法可能导致设计过程耗时、出现错误以及材料从编织结构中脱落。

文献综述揭示了两个阻碍复杂竹编结构自动制造的关键空白。首先，从计算角度来看，缺乏生成编织操作所需的“上下”交织序列的可靠方法，特别是对于不规则图案。其次，在机器人制造领域，新兴的机器人编织领域中缺乏能够以紧凑方式执行交织操作并适应多种竹材的硬件解决方案。

这些空白激发了本文的核心问题：（1）是否可以稳健且高效地计算出不规则编织图案的全球“上下”交织序列，克服当前手动和迭代方法的局限性？（2）是否可以设计出一种紧凑的单臂机器人末端执行器，可靠地执行不同尺寸和截面的竹条的交织操作？

为了解决上述问题，本研究旨在提出一种具有两项主要创新的机器人竹编框架。首先，它提出了一种基于结理论的计算方法，自动计算不规则编织图案的材料交织关系，并结合材料规格生成无冲突的机器人路径。其次，它提出了一种基于旋转驱动的独特机器人末端执行器设计，能够适应不同的材料规格，并使用单个机械臂从编织组件的一个侧面执行“上下”交织操作。

为了说明本文的独特之处和贡献，本节将所提出的框架与Lochnicki等人[10]、Brugnaro等人[11]和Zanetti等人[12]的工作进行了比较。虽然这些系统开创了机器人竹编技术，但它们在材料处理和计算策略方面与本文提出的方法存在显著差异。

一个主要区别在于材料的多功能性。以往的研究主要集中在圆形或近似圆形截面的材料上，如竹束、藤条或柳条。相比之下，所提出的系统不仅适用于圆形截面，还适用于平面元素。此外，它还采用了一种策略性方法来编织尺寸远大于末端执行器本身的组件。

在计算策略方面，以往的研究采用了生成方法，如基于代理的系统和元胞自动机，来创建涌现的编织图案和机器人操作。本文解决了不同的挑战，即生成精确的“上下”交织关系和用户定义的不规则三维编织结构的机器人路径。为此，所提出的框架首次应用了结理论的数学原理来明确定义这些交织序列。此外，它还将材料属性整合到路径生成过程中，以确保机器人编织的无碰撞。

这些在材料处理和路径生成方面的根本差异引入了末端执行器设计和机器人路径规划中的独特挑战，这些挑战在以往的研究中并未得到解决。表1总结了这些关键区别。

部分摘录

方法

本节详细介绍了四个部分的综合方法，包括机器人竹编的总体框架和操作工作流程（第2.1节）、机器人编织路径的计算生成（第2.2节）、单机器人竹编的定制末端执行器设计（第2.3节）以及适应几何复杂性的材料准备策略（第2.4节）。

结果

本节展示了机器人竹编亭子的实现，作为上一节提出的综合方法的概念验证。讨论内容包括计算形态生成、现场机器人建造过程以及对最终结构几何精确度和结构完整性的评估。

局限性和未来研究

虽然竹编亭子的建造证明了所提出的机器人制造框架的有效性，但全尺寸实施揭示了一些关键限制，这些限制凸显了未来研究的必要性。

尽管竹条的核心交织操作已经实现了自动化，但仍然严重依赖人工干预，这是一个关键的限制。目前仍有许多关键任务依赖于人工劳动，包括材料转移

结论

本文提出了一种机器人竹编框架，并通过全尺寸建造实验对其进行了验证。主要贡献之一是一种基于结理论的计算方法，用于生成机器人编织路径，该方法考虑了材料属性和结构互锁。该方法建立了算法功能，以计算材料交织关系、解决材料冲突并防止

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

作者还要感谢张玉璐、郑一凡、Shrestha Niva、史冰心和卓新英在设计和建造阶段所做的贡献。他们的努力对项目的成功实施起到了重要作用。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（52508032）、国家重点研发计划（2022YFE0141400）和中央高校基本科研业务费（22120240655）的支持。