TrussFab il sistema software 3D integrato, end-to-end

I ricercatori realizzano strutture cinetiche con bottiglie di plastica, attuatori lineari e connettori stampati 3D
La scorsa primavera, abbiamo sentito parlare di un intrigante progetto di ricerca dell’istitutotedesco  Hasso-Plattner  (HPI), chiamato TrussFab . Il sistema software 3D integrato, end-to-end, ha permesso di progettare strutture robuste e su larga scala e quindi di determinare la corretta distribuzione di bottiglie di plastica riciclata e connettori stampati 3D per fabbricare un prodotto finale robusto, come un ponte, che potrebbe tenere il peso umano.

Mentre queste strutture erano piuttosto interessanti, erano statiche, come nel non-movimento. Ma HPI ha completato un nuovo progetto di ricerca, chiamato TrussFormer , che si basa su TrussFab  e utilizza cerniere e attuatori lineari per aggiungere movimento alle strutture.

Questo nuovo sistema software consente agli utenti di realizzare strutture cinetiche su larga scala, che coinvolgono il movimento e le forze dinamiche, da mozzi stampati in 3D e bottiglie di plastica riciclate. Il team di HPI presenterà il suo nuovo documento, intitolato ” TrussFormer: 3D Printing Large Kinetic Structures “, alla conferenza di Human Computer Interaction ( UIST ) a Berlino questa settimana; i coautori sono Robert Kovacs, Alexandra Ion, Pedro Lopes, Tim Oesterreich, Johannes Filter, Philip Otto, Tobias Arndt, Nico Ring, Melvin Witte, Anton Synytsia della Oregon State University e Patrick Baudisch.

L’abstract dice “TrussFormer si basa su TrussFab, dal quale eredita la capacità di creare strutture statiche su traliccio su larga scala da connettori stampati 3D e bottiglie in PET. TrussFormer aggiunge movimento a queste strutture inserendovi attuatori lineari: o manualmente, avvolti in componenti riutilizzabili chiamati beni, o dimostrando il movimento previsto. TrussFormer verifica che la struttura risultante sia meccanicamente sana e resista alle forze dinamiche risultanti dal movimento. Per realizzare il design, TrussFormer genera il sistema di cerniere sottostante che può essere stampato su stampanti 3D desktop standard. Dimostriamo TrussFormer con diversi oggetti di esempio, tra cui un robot a 6 zampe e un dinosauro Animatronics di 4 m di altezza con 5 gradi di libertà. ”

Il sistema aggiunge attuatori lineari in tralicci rigidi, noti come truss a geometria variabile, per avviare il movimento organico, il che significa che ruotano attorno a più punti contemporaneamente. Un esempio che illustra questo è un tetraedro statico che, quando un arco viene disattivato con un attuatore lineare, diventa una struttura in movimento. La rotazione è possibile introducendo connessioni, o cerniere, ai nodi.

Il team di ricerca ha dimostrato il flusso di lavoro di TrussFormer su un modello animatronic di un T-rex. Innanzitutto, il software progetta la forma della struttura statica con primitive strutturalmente stabili, come ottaedri e tetraedri. Con TrussFormer, ci sono tre modi diversi per animare le strutture:

Il primo è per i principianti, mentre il terzo è per gli utenti che acquisiscono attivamente conoscenze ingegneristiche. Per aggiungere movimento attraverso lo strumento “Dimostra movimento”, la testa T-rex viene abbassata; quindi, il sistema posiziona un attuatore che trasforma il corpo in una struttura in grado di piegarsi verso il basso.

TrussFormer verifica quindi che il meccanismo sia strutturalmente valido durante un controllo di stabilità attraverso le varie pose della struttura, in modo che gli utenti non producano configurazioni non valide.

“Sullo sfondo, TrussFormer trova la gamma sicura di espansione e contrazione dell’attuatore posizionato simulando le forze che si verificano in una gamma di posizioni”, hanno spiegato i ricercatori nella loro pagina del progetto HPI. “Se c’è una posa in cui le forze superano i limiti di rottura predeterminati o la struttura si rovescia, TrussFormer imposta i limiti per l’attuatore in modo che non si estenda oltre di essi.”

Una volta aperto il pannello di animazione nella barra degli strumenti del software, è possibile utilizzare i cursori per controllare manualmente e provare i movimenti della struttura. Una volta trovata la posa desiderata, gli utenti possono aggiungerla alla timeline dell’animazione come fotogramma chiave. Ciò consente agli utenti di TrussFormer di orchestrare il modo in cui tutti gli attuatori si muovono con una semplice timeline e un editor: ad esempio, un comportamento di alimentazione, in cui il T-rex apre la bocca, si inclina e agita la coda, può essere facilmente programmato.

Una volta che l’utente ha definito l’animazione della struttura, TrussFormer calcola le forze dinamiche. Nell’esempio del corpo T-rex che si muove su e giù, la grande accelerazione del collo lungo porta a forze di inerzia elevate, che superano il limite di rottura della costruzione e fanno fallire la struttura. Può essere difficile rendersene conto in anticipo, perché spesso le forze inerziali volte sono molto più alte del carico statico in una struttura. Ecco perché il software corregge automaticamente la sequenza dell’animazione – limitando la gamma di movimento o accelerazione – in modo che la struttura sia in grado di reggere.

Il pulsante ‘fabricate’ viene premuto una volta che gli utenti sono soddisfatti della struttura, del movimento e dell’animazione del design. Ciò avvierà quindi l’algoritmo di generazione di cerniere, che analizza il movimento della struttura e genera le geometrie corrette per gli hub e le cerniere stampabili 3D; questi vengono con ID stampato per un facile montaggio. Per il T-rex vengono esportati 42 mozzi con 135 pezzi di cardini.

Il software esporta i pattern di animazione come codice Arduino e alla fine emette un file di specifiche con velocità, gamma di movimento e forza degli attuatori in modo che gli utenti possano “ottenere il modello di animazione desiderato”.

“TrussFormer aiuta gli utenti nei 3 passaggi principali lungo il processo di progettazione”, concludono i ricercatori. “(1) Consente agli utenti di  animare strutture di traliccio di grandi dimensioni  aggiungendo attuatori lineari a loro. Offre tre strumenti per questo scopo: posizionamento manuale dell’attuatore, posizionamento delle risorse che eseguono movimenti predefiniti e creazione di movimenti per dimostrazione. (2) TrussFormer  convalida il progetto in tempo reale contro le forze statiche, le forze statiche su tutte le pose e le forze dinamiche. (3) TrussFormer genera automaticamente  le necessarie cerniere 3D stampabili  per la fabbricazione della struttura. Il suo algoritmo determina il posizionamento e la configurazione delle cerniere e le loro dimensioni esatte. ”

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