[[alternative]]The applications of robotic fabrication in timber structure construction

碩士[[abstract]]數位設計的歷程可以分成三個階段，分別是設計、製造以及構築，在設計及製造兩階段，設計者透過數位工具的幫助，能有效率的達成需求。而在最後的構築階段，複雜造型尺寸不一的單元元件設計，在模型製作或真實施工上都會耗費許多功夫在元件的製作與定位放樣上。因此經常必須使用耗費時間的手工與勞力才有辦法達成。本研究藉由機械手臂的應用，將有助於提高構築階段的建構效率。 本研究透過對機械手臂的運作方式研究，瞭解機械手臂的手部機構、運動機構與控制系統操作，並使用Rhinoceros的插件軟體Grasshopper讓設計者能以圖像化的方式做直覺的操作模擬，以減少程式設計的編輯部份。本研究將機械手臂應用類型歸納成三種：3D成型、製造加工、與構築，而本論文將著重在應用機械手臂於製造木構築的研究探討上。應用上主要分為二維與三維空間定位兩種構築方式，並透過參數化設計的方式對於此兩種構築方式做設計操作。在小比例模型階段，利用此兩種構築方式的建構原理來做設計並利用Grasshopper建構參數化模型與編寫製作機械手臂動作的流程操作機械手臂。最後則應用二維空間定位的方式加上構造與結構設計，設計一座1：1的木構展示亭，並利用機械手臂協助建構此木構展示亭。 參數化設計對於機械手臂而言，最大的意義不完全在於可調整的三維電腦模型，而是參數化背後所攜帶的數據，這些數據才是可驅動機械手臂作業的因素。因此藉由參數化設計做為機械手臂的溝通介面，使一般的使用者可以更直覺的使用，大幅降低了機械手臂的操作門檻。另外，機械手臂在應用上最大的優勢在於其多元與彈性，在面對不同的設計類型時，可透過末端執行器的設計及製作，做出相對應的構築回應。[[abstract]]The process of digital design can be divided into three stages, namely design, manufacturing and construction. In the design and manufacturing stages, the designer can achieve the design requirements efficiently through the help of digital tools. In the final construction stage, for the design of elements with complex features or different sizes, a lot of efforts need to be spent on the element production and positioning and setting-up in model production or actual construction. Therefore, time-consuming manual work is usually required to achieve the purpose. In this study, robotic fabrication was used to help improve the efficiency of construction. Through the study of its operation, the robot arm’s mechanism, movement mechanism and control system are understood, and the plug-in software Grasshopper of Rhinoceros is used to allow the designer to use visualization to do intuitive simulation operations to reduce the effort of computer program. In this study, robotic fabrications are classified into three types which include 3D molding, manufacturing and construction. This research focuses on the applications of the robotic fabrication in the construction of timber structures. The applications are divided into two-dimensional and three-dimensional setting-up, and designs are carried out with these two construction methods through parametric design. In the stage of small-scale modeling, the construction principles of the mentioned two construction methods are used for the design, and Grasshopper is used to construct parametric models and control the robot arm movement in order to operate the robot arm. Finally, through two-dimensional setting-up and the construction and structure design, a 1:1 timber pavilion is designed and the robotic fabrication is used to help construct this timber pavilion. For robotic fabrication, the largest impact of parametric design is not entirely on the adjustable three-dimensional computer model, but the computation of geometric data behind the parameters which are the driving force of the robot arm. Therefore, using parametric design as the robot arm’s communication interface can allow the general user to operate it more intuitively, and can significantly reduce the robot arm’s operating threshold. In addition, the biggest advantage of applying the robot arm lies in its diversity and flexibility. In the face of different design types, the robot arm can make the corresponding construction response through the end effector design and production.[[tableofcontents]]目錄 第一章 緒論 01 1.1 研究動機 01 1.1.1 構築工作營之啟發 01 1.1.2 個人數位設計與製造心得 02 1.1.3 數位設計的構築 03 1.1.4 構築與自動化技術 05 1.1.5 數位構築的新可能性 06 1.1.6 建築新科技的發展 07 1.2 研究目的 08 1.2.1 材料與構造 08 1.2.2 數位設計之實踐 08 1.2.3 機械手臂輔助構築 09 1.2.4 設計思維的轉變 10 1.3 相關領域 11 1.3.1 機械人學 11 1.3.2 參數化設計 11 1.3.3 數位製造 11 1.3.4 數位構築 11 1.4 研究成果 12 第二章 文獻回顧 13 2.1 機械手臂發展史 13 2.1.1 機械手臂技術發展階段 13 2.1.2 智慧機械手臂技術發展階段 16 2.1.3 機器手臂應用於建築領域 18 2.2 機械手臂硬體與功能之介紹 19 2.2.1 全球主要機械手臂公司 19 2.2.2 機械手臂硬體設備 21 2.2.3 機械手臂操作控制 26 2.2.4 機械手臂結合Grasshopper 平台 28 2.3 機械手臂應用類型 31 2.3.1 構築 31 2.3.2 製造加工 31 2.3.3 3D 成型 31 2.4 ETH 之研究 32 2.4.1 The Sequential Wall , 2008 32 2.4.2 The Stacked Pavilion , 2009 33 2.4.3 The Sequential Structure , 2010 34 2.4.4 Spatial Aggregations , 2012 35 2.4.5 Shifted Frames , 2013 36 2.4.6 Complex Timber Structures , 2013 37 2.5 其餘相關之案例 38 2.5.1 ICD/ITKE Research Pavilion , 2013-2014 38 2.5.2 X-Bamboo design project, 2014-2015 39 2.5.3 Robot-Assisted Assembly in Wood Construction , 2015 40 2.6 書籍及網頁 41 2.6.1 小建築 41 2.6.2 The Robotic Touch 41 2.6.3 Robotic Fabrication in Architecture, Art and Design 2014 42 2.6.4 Association for Robot in Architecture 43 2.7 小結 44 第三章 前導設計 45 3.1 二維空間定位- 疊磚 45 3.1.1 模型設計 Grasshopper 參數化 45 3.1.2 手臂程序編程 Scorpion 設定 47 3.1.3 機械手臂上機 設定及操作 56 3.2 二維空間定位- 切割木條 59 3.2.1 電腦參數化設計 59 3.2.2 程序編程 61 3.2.3 上機試驗 64 3.3 三維空間定位- 正交空間框架 68 3.3.1 正交空間框架模型 69 3.3.2 程序編程 71 3.3.3 機械手臂上機組裝 75 3.4 三維空間定位- 非正交空間框架 78 3.4.1 模型設計 78 3.4.2 程序編程 81 3.4.3 機械手臂上機組裝 85 第四章 木構展示亭 87 4.1 設計發想 87 4.2 參數化設計過程 88 4.3 分段及程序編程 90 4.4 機械手臂製造與組裝 94 第五章 結論與建議 101 5.1 設計操作與回顧 101 5.1.1 二維空間定位 101 5.1.2 三維空間定位 104 5.1.3 總結 105 5.2 個人心得與結論 106 5.2.1 設計向度的轉變 106 5.2.2 資源共享時代的經驗與技術傳承 107 5.2.3 機械手臂應用於建築的未來發展 108 5.3 後續研究建議 109 5.3.1 軟體研究建議 109 5.3.2 硬體研究建議 110 5.3.3 類型應用研究建議 112 參考文獻 115 附錄 117 圖目錄 第一章 【圖 1-1】2014 年7 月淡江構築工作營 01 【圖 1-2】2015 宜蘭綠色博覽會獅子魚展示亭組裝 03 第二章 【圖 2-1】機械手臂發展的重要歷程 14 【圖 2-2】ABB Logo 19 【圖 2-3】KUKA Logo 20 【圖 2-4】Universal Robots Logo 20 【圖 2-5】Universal Robots 關節示意圖 21 【圖 2-6】TCP 設置畫面- 座標系統 21 【圖 2-7】I/O 孔位配置圖 22 【圖 2-8】UR10 及UR5 IEC 接頭位置圖 23 【圖 2-9】平行夾爪 24 【圖 2-10】三軸定心夾爪 24 【圖 2-11】真空海綿吸取裝置 24 【圖 2-12】電磁式吸取裝置 24 【圖 2-13】氣動鑽頭 25 【圖 2-14】浮動式研磨工具 25 【圖 2-15】3D 列印噴頭 25 【圖 2-16】機械手臂初始畫面 26 【圖 2-17】機械手臂操作程式主畫面 26 【圖 2-18】HAL Logo 28 【圖 2-19】Scorpion logo 29 【圖 2-20】UR10 於Scorpion 內模擬畫面 29 【圖 2-21】Scorpion 範本 29 【圖 2-22】Firefly Logo 30 【圖 2-23】The Sequential Wall 32 【圖 2-24】The Stacked Pavilion 33 【圖 2-25】The Sequential Structure 34 【圖 2-26】Spatial Aggregations 35 【圖 2-27】Shifted Frames 36 【圖 2-28】Complex Timber Structures 37 【圖 2-29】ICD/ITKE Research Pavilion 38 【圖 2-30】X-Bamboo 39 【圖 2-31】Robot-Assisted Assembly in Wood Construction 40 【圖 2-32】小建築 41 【圖 2-33】The Robotic Touch 41 【圖 2-34】Robotic Fabrication in Architecture, Art and Design 2014 42 【圖 2-35】The International Association for Robot in Architecture Logo 43 第三章 【圖 3-1】參數化模型設計過程 46 【圖 3-2】機械手臂移動路徑示意模擬 47 【圖 3-3】移動路徑編程設定 48 【圖 3-4】真空吸盤 49 【圖 3-5】Scorpion 末端執行器設定 49 【圖 3-6】Scorpion IKsolver 50 【圖 3-7】機械手臂8 種姿態模擬 50 【圖 3-8】Programming I/O 51 【圖 3-9】Scorpion Move 51 【圖 3-10】Command Tools 52 【圖 3-11】疊磚Command Tools 設置 52 【圖 3-12】Send Program 53 【圖 3-13】疊磚Scorpion 設定 54 【圖 3-14】金字塔型疊磚縮時攝影 57 【圖 3-15】圓錐型疊磚縮時攝影 58 【圖 3-16】平行夾爪 59 【圖 3-17】切割鋸台 59 【圖 3-18】結構長椅與波浪牆 59 【圖 3-19】結構長椅堆疊 60 【圖 3-20】波浪牆堆疊 60 【圖 3-21】Grasshopper 程序編程設定 61 【圖 3-22】Scorpion I/O 設定 62 【圖 3-23】電腦模擬機械手臂運作 63 【圖 3-24】結構長椅分段模型 64 【圖 3-25】波浪牆分段模型 64 【圖 3-26】手臂切割流程 65 【圖 3-27】結構長椅過程縮時攝影 66 【圖 3-28】波浪牆過程縮時攝影 67 【圖 3-29】正交空間框架模型 69 【圖 3-30】正交空間框架組裝順序圖 70 【圖 3-31】三維向量轉換示意 71 【圖 3-32】Scorpion I/O 設定 72 【圖 3-33】Grasshopper 程序編程設定 72 【圖 3-34】正交空間框架組裝流程 74 【圖 3-35】正交空間框架組裝過程 75 【圖 3-36】檢測 75 【圖 3-37】支撐架 76 【圖 3-38】夾爪 76 【圖 3-39】虎鉗固定 77 【圖 3-40】出挑 77 【圖 3-41】非正交空間框架參數化模型 78 【圖 3-42】非正交空間框架模型 79 【圖 3-43】組裝順序圖 80 【圖 3-44】電腦環境模擬 81 【圖 3-45】Scorpion I/O 設定 82 【圖 3-46】Grasshopper 程序編程設定 83 【圖 3-47】非正交空間框架組裝流程 84 【圖 3-48】非正交空間框架 85 【圖 3-49】非正交空間框架過程縮時攝影 86 第四章 【圖 4-1】木構展示亭3D 87 【圖 4-2】參數化過程 88 【圖 4-3】木構展示亭分解圖 90 【圖 4-4】木構展示亭Scorpion I/O 設定 91 【圖 4-5】真空吸盤 91 【圖 4-6】木構展示亭Grasshopper 程序編程設定 92 【圖 4-7】鐵件接頭 94 【圖 4-8】機械手臂組構單元縮時攝影 95 【圖 4-9】木構展示亭組裝過程記錄 96 【圖 4-10】木構展示亭組裝過程記錄 97 【圖 4-11】木構展示亭 98 【圖 4-12】木構展示亭 99[[note]]學號: 602360470, 學年度: 10