学术干货 | 机械臂建造 Robotic Assembly & Fabrication 建筑应用汇总（第一期）
机械臂搭建
Robotic Assembly
工业机器人在建筑过程中的应用，为非常规的空间结构提供了一种新的设计与建造途径。机械臂，作为“设计与建造相互影响”的工具，操作并改变材料的同时，自身灵活的移动路径，定制化的机械头，与多个机器人之间的协同操作，使原本无法精确实现的复杂结构数字化，与精确地定位与固定。在本篇的推文中，小编会从以下四个方面摘选项目，与大家一起看看设计本身与机械臂的建造技术以及选用的材料之间的关系，且配有大量的图面希望能便于大家的理解~
1.机械臂编织，
2.机械臂搬运，
3.机械臂切割，
4.机械臂打印。
文章全长字4400，阅读时间10分钟
机械臂建造的相关论文与设计项目
Buga Fibre Pavilion
机械臂编织
（项目视频：https://vimeo.com/373407213）
穹顶结构设计细分 & 编制装置的设计
机器人装置的模块化缠绕框架
部件编织顺序
制造细节
项目整体效果
（Dambrosio at el., 2019）今年延续了ICD Stuttgart往年关于高性能、大跨度、纤维增强聚合物（FRP）为基础的建筑系统研究。相比于往届每年一个的项目（ICD/ITKE Research Pavilion 2012-2018），这个项目展示了超轻型复合穹顶结构的综合设计过程和发展，与更大尺度上的原型尝试。与线性工作流程不同，纤维式系统设计和工程制造方法，在机械臂与设计师的协作中相互联系并且影响。整个pavilion由60个柱状单体组成，借助计算机实时辅助，不断更新的反馈与效果模拟，使复杂形态中的每个部件的纤维排列、密度和方向都精密按照建筑结构和制造方式进行了校准与优化。对于每个单体的纤维缠绕过程，特殊设计的槽口装置被固定在中心杆件的两端，通过杆件本身的旋转速度以及角度，机械臂缠绕纤维的速度，和计算机预先设定的缠绕顺序与位置相配合。当杆件完成360度的翻转，整个单体也构成一个柱状多层的光纤系统。之后不断重复同样的步骤，完成60个单体的制作。最后，再通过柱状单体之间的连接与外层膜结构的附加，完成整个pavilion的搭建。
2016-2017 ICD/ITKE Research Pavilion
机械臂编织
设计与建造思路
预先生成的可弯复合框架帮助建造人员减少了不必要的架构工作，搭建机器人和轻型无人机的协作平台，增加了建筑可被建造的规模、跨度。它探讨了未来的建构模式，如分布式、协作式和自适应体系等。
叶蛾丝状结构
类似与上一个项目的纤维生形技术，该项目对自然界轻质结构的功能原理和构造逻辑进行了分析，并最终发现桃潜叶蛾和银潜叶蛾在弯曲叶片上造丝结网形成“吊床”，并把这种长跨度纤维结构的形态生成过程转移到建构和结构理念中。
结构模拟测试
无人机与机械臂协作
相比于上一个项目，该实验装置采用两台固定式机械臂，它们具有结构体系最终端的纤维编织搭建所需的精度和强度。同时，一台自动远幅度的定制无人机，被用来将纤维从一边传递到另一边。无人机的自由移动属性与机器人的可变性结合在一起，实现了在同一个结构中铺设纤维的可能性。
NCCR Digital Fabrication (DFAB)
机械臂搬运
小型结构实验
三角结构的安装顺序
传统的建筑设计方法通常遵循自上而下的策略，在这种策略中，制造都需要服从于先前预设计的几何结构。然而在集成式设计方法中，制造的工具、材料的结构性能等都因素将同时作为设计决策的驱动，从而使系统具有更高的灵活性和性能。该实验项目使用多个机器人装配离散单元结构为建立复杂、稳定的三角结构发展了新潜力。通过对机器搭建仿真数据的处理，以预测机器人的精确运动，机器人的路径得以规划，来避免相互碰撞。
Cooperative Fabrication of Spatial Metal Structures
机械臂搬运
（项目视频：https://nxtbld.com/videos/stefana-parascho/）
人与机械臂协作搭建
搭建结构模拟
杆件连接的细部
大型装置效果
（Parascho，2017）作为上一个项目的2.0版本，通过两个悬挂的工业机器人装配离散钢管组成的空间金属结构，拓宽了协作式机器人在中大型形态上的建造可能。开发的施工方法同样依赖于三角形的建筑构建，其中一个机器人暂时稳定装配，而另一个机器人放置管道，最终再进行人工的焊接加固。
Toward Discrete Architecture：Automation takes Command
机械臂搬运+切割
机械臂（抓手）体块的放置堆叠功能-家具摆放应用
机械臂（钻头&切割）槽口的制作-单体构件的制作
小型结点机器人-单体构建的拼装
自动化装配住宅的效果
（Retsin, 2019）的项目，熟悉UCL Bartlett的小伙伴们应该不会陌生，小编在这里也简要整理一下机械臂在现实住宅项目中的应用。在Gilles的大部分项目中主要针对未来装配式住宅提出自动机械搭建的新设计方法论。机械臂由于精确定位与低误差切割的两点特性，被广泛用于家具元件的制作，安装与室内布局的摆放；以及模块化临时住宅的单体制作与整体拼装。不同的定制化的机械头，也分别用于不同特性的工作，相互协作完成整个搭建。部分结点专配机器人也类似于小型的机械臂，可以在杆件上攀爬，结点上弯曲，根据预设的位置，安放搭建单体至拼接。同样的机械臂家具组装在近几年实际生产中也陆续被投入广泛的生产产品，如 “IKEA chair”项目中，两台机械臂协同对简易椅子的拼装。
IKEA furniture项目
Autonomous Architectural Operations
机械臂切割
方法论初步验证的搭建实验
机械锯头与转动路径（侧视）
机械锯头的实际切割操作与切割效果
构建安装
现场组装效果的镭射扫描效果 （木构图书馆项目）
（Vercruysse，2019）本篇论文的研究旨在探讨建筑师如何通过高级定制化的建造工作流程，降低制造成本，直接对建造材料进行现场测试与协调，并快速落地实现效果。在传统木材集成装配策略中，所制造的建造构建可分为三类：直元件、单曲元件和双曲元件，然而随着在设计中越来越复杂的形态，在大尺度建筑结构上的更多需求，相应的生产顺序与构建也随之变得繁复，也导致了制造成本的增加。该项目开发了一种创新的制造策略，在流程上将建筑师与实际建造联系在一起；在材料与工具上，将大规模的胶层压木框架与机器锯手臂的精准测量相结合，并且通过Hooke Park的木构图书馆项目测试了整个方法论的可行性。具体的设计方法如下: 建筑师首先在材料的硬度上进行一定程度的改良，传统的胶合层压技术与交叉层压木材（CLT）技术相结合，用以增强木材构建强度，并投入大规模的木材框架生产。之后，这些粗糙的框架作为“定制原料”在机械臂的系统中进行定位和校准。每片木材在计算机中都被精准计算成封闭式的几何组件，并由机械臂控制带锯齿的机械头进行下一步的裁切处理。由上图可见，机械头传送带式的锯齿设计，结合机械臂的灵活的转动角度和运动轨迹，使得整个项目的处理过程更加地快速。最终再通过起重机与人力进行最后的拼装。
Robotic Extrusion - 6-Axis KUKA + ABS 3D Printing
机械臂打印
蜘蛛丝结构的灵感获取
装置所需设备（R900 KUKA Robot，KUKA Computer case，Robotic-end Effector，External control system+Interface+ABS Material, Air Compressor, Workstation Frame）
曲线打印的初步测试结果与部分优化
四个打印喷头的细节爆炸图
连续打印的方式和达成的效果
最终项目展示效果
目前机器人制造的研究和应用大多局限于不断复制人类劳动和提高制造效率。然而，在“6-Axis KUKA + ABS 3D Printing” 项目中，通过研究自然界中蜘蛛丝悬空且坚固的喷吐结构性能，将这种仿生制造纳入3D打印技术。经过对曲线丝状的初步结构模拟与材料实验，仿生结构的思想最终通过一个精密的机器人末端执行器（即打印喷头）来实现。核心部件是一个花瓣状的转印板，它有3个可移动的打印喷头并排连接，1个固定的印刷头在中间。当整个系统驱动时，中心主转盘的旋转导致3个可移动的打印头的摆动。在机械臂与打印喷头运动速度以及材料输送的速度的配合下，随着机械臂提前预设的移动路径，不断打印生成主轴曲线的结构。机器人末端执行器的编程基于Arduino。每个打印头内部都有一个加热器，该加热器经过独特编程，可以精确地将温度保持在适当的范围内。此外，在喷头前端的导管不断地将压缩空气输送到打印头前部，以冷却和定型材料。为了增加整个项目在实际操作中的交互性，机械臂的移动速度与喷头的轴承的转动速度都可以根据设计师的需要调节。
(关于全篇论文，感兴趣的小伙伴可以在推文最后扫二维码联系小编，即可获取论文包哦～)
机械臂的制造公司
机械臂的制造公司主要有：KUKA，ABB，YASKAWA，FANUC等，其中KUKA和ABB是最大的两大制造公司。TechArt之后还会陆续推出关于机械臂GH插件（KUKA prc，ABB Hal）的操作方法与实际设计案例应用结合的干货推文，欢迎关注～
图片来源：（KUKA-prc）food4Rhino官网
图片来源：（ABB-hal）food4Rhino官网
机械建造相关文献资料
Fabricate 2017 (2020版即将公开)
编辑：
Archim Menges, Bob Sheil, Ruairi Glynn, Marilena Skavara
简述：
Bringing together pioneers in design and making within architecture, construction, engineering, manufacturing, materials technology, and computation, Fabricate is a triennial international conference, now in its third year (ICD, University of Stuttgart, April 2017). Each year it produces a supporting publication, to date the only one of its kind specializing in Digital Fabrication. The 2017 edition features 32 illustrated articles on built projects and works in progress from academia and practice, including contributions from leading practices such as Foster + Partners, Zaha Hadid Architects, Arup, and Ron Arad, and world-renowned institutions including ICD Stuttgart, Harvard, Yale, MIT, Princeton University, The Bartlett School of Architecture (UCL) and the Architectural Association.
Prototyping for Architects
编辑：
Mary Burry, Jane Burry
简述：
Prototyping is an essential part of the designer’s repertoire. Designers prototype their projects to test them, structurally, aesthetically, technically. Whether the prototype works or not is not the point: prototyping is the revelatory process through which the designer gains insight. There are three reasons why contemporary prototyping techniques are transforming the way architects design and build: 1) at a miniature scale, prototyping aids the architect in the presentation to clients of complex spatial ideas; 2) prototyping empowers the architect-designer to test and prove a building’s feasibility, leading to more open-minded construction solutions; 3) whether additive (3D printing) or subtractive (robotic milling), prototyping can lead to unexpected and exciting new possibilities within the design as a whole, across design disciplines, thus blurring the boundaries between them in highly creative ways.
Digital Fabrication
编辑：
Philip F. Yuan, Neil Leach and Achim Menges
简述：
How are new digital fabrication technologies changing how architects are constructing buildings today? Digital Fabrication offers a range of informed opinions on the subject written by some of the leading authorities in the world. It addresses new digital fabrication technologies, such as 3D printing, computer numerically controlled milling, along with other robotically controlled manufacturing operations, such as laser cutting, bandsaw cutting, stitching, weaving, forming, bending, folding and stacking. The volume is divided into sections comprising Manifestos, Methodologies, Interviews and Projects, and also includes a helpful introduction that offers a brief history of digital fabrication.
Digital Fabrications: Architectural and Material Techniques
编辑：
Lisa Iwamoto
简述：
Digital Fabrications, the second volume in our new Architecture Briefs series, celebrates the design ingenuity made possible by digital fabrication techniques. Author Lisa Iwamoto explores the methods architects use to calibrate digital designs with physical forms. The book is organized according to five types of digital fabrication techniques: tessellating, sectioning, folding, contouring, and forming. Projects are shown both in their finished forms and in working drawings, templates, and prototypes, allowing the reader to watch the process of each fantastic construction unfold. Digital Fabrications presents projects designed and built by emerging practises that pioneer techniques and experiment with fabrication processes on a small scale with a do-it-yourself attitude.Digital Fabrication in Architecture Engineering and Construction
编辑：
Caneparo Luca
简述：
Digital technologies are changing the relationship between design and construction: with computer models, CAD/CAM, and prototyping, designers can gain direct control of building and construction processes. The ability to digitally model designs, and thus to use those models directly in the context of production, creates a synthesis between design and construction in keeping with the tradition of the close relationship between design and craftsmanship, between the quality of the design and the rules of the craft. The evolution of the culture of design and construction is the underlying theme of this book. The aim is to discuss the direction that innovation is now taking, with a particular focus on today’s cutting-edge architectures. By collecting information on significant projects and analyzing them, the book explores the technical and artistic potential of digital technology. The cases studied are the outcomes of groundbreaking projects which were able to give form and significance to technological research.
机器人搭建院校与学术实验室
University College London | 伦敦大学学院
ETH Zurich | 苏黎世联邦理工学院
University of Pennsylvania | 宾夕法尼亚大学
RMIT University | 皇家墨尔本理工大学
UCL实验室
图片来源：UCL 官方
ETH实验室
图片来源：ETH 官方
RMIT实验室
图片来源：RMIT 官方
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