浙江大學(xué)沈洪垚團隊：基于多機器人協(xié)作技術(shù)的大幅面增材制造研究

供稿人：馬浩宇 李滌塵 供
稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

大幅面增材制造是3D打印技術(shù)的自然延伸，以往增材制造受到3D打印機的腔室體積限制，無法成型較大尺寸的零件，而按比例擴大打印機尺寸既昂貴又耗時，且無法同時優(yōu)化打印精度及打印效率，因此，采用具有一組多噴頭的協(xié)同3D打印技術(shù)有很大的發(fā)展空間。

在多噴頭協(xié)同打印領(lǐng)域，浙江大學(xué)沈洪垚團隊已初步實現(xiàn)通用化較強、兼具打印精度及打印效率的協(xié)同3D打印技術(shù)。設(shè)計了多機器人協(xié)同打印系統(tǒng)，包括實驗平臺的搭建、整個系統(tǒng)的打印處理及機器人的放置位置研究；提出了一種基于效率最優(yōu)化的區(qū)域分割算法，合理地分配了各噴頭的打印區(qū)域，實現(xiàn)了打印效率均分；對于多噴頭的打印順序，合理分配了各噴頭的打印任務(wù)，實現(xiàn)了無碰撞打印，成功避免了機器人間的相互干擾；進(jìn)行了多機器人的3D打印實驗驗證，論證了此方案的高效率優(yōu)勢。

如圖1所示，通過幾何輪廓識別及分割，結(jié)合模擬退火算法，尋找最優(yōu)分割點，實現(xiàn)了打印區(qū)域的最優(yōu)分割，與之前研究提出的路徑調(diào)度算法相比，基于模擬退火算法的分割算法更簡單通用，在路徑分割及調(diào)度過程中不涉及避免干擾的問題。

進(jìn)一步將打印區(qū)域進(jìn)一步劃分為安全區(qū)及干涉區(qū)，并保證同一時間僅有一個機械手在干涉區(qū)內(nèi)進(jìn)行打印，如圖2所示，為打印頭的打印順序規(guī)劃，不斷切換機械手在兩類區(qū)域的打印，直到完成所有打印任務(wù)，成功消除了打印頭碰撞的可能性，并充分利用了打印頭的效率。

圖1 打印區(qū)域兩次劃分

圖2 打印順序規(guī)劃

針對以上算法進(jìn)行了實驗驗證，通過比較協(xié)作打印和獨立打印之間的打印時間差異，可以發(fā)現(xiàn)多機器人系統(tǒng)以幾乎四倍的效率實現(xiàn)了相同的打印任務(wù)。結(jié)果表明，分配打印作業(yè)時，每個機器人的工作量幾乎可以保持一致。主要影響因素是分割區(qū)域和分割線上輔助路徑的偏差。

參考文獻(xiàn)：
Hongyao Shen, Lingnan Pan, Jun Qian. Research on large-scale additive manufacturing based on multi-robot collaboration technology. 2019, 30