和机器人一起建造丨机器人木构作品参加2018国际机器人展

中国国际机器人展览会(CIROS)是我国首个机器人全产业链国家级展览平台，位居全球四大机器人展之一。东南大学作为本年度唯一一个参展的高校，展示内容包括创意机器人木构、数字景观设计、3D打印工艺品、数控编程服务等。其中Upsilon木构亭作为东南大学展亭，全面展示了数字化定制设计、机器人智能制造、绿色装配式木构建筑的技术实现和应用前景。

国际机器人展东南大学展厅

展览时间：2018年7月4日-7日

展览地点：国家会展中心（上海）3H号馆E-106

在本次展会中，建筑学院建筑运算与应用研究所（Inst. AAA）总结近年来的科研成果，重点推出与机器人制造相关的以下技术：

1. 机器人离线编程

（Off-line Programming）

个性化的设计与高效精确的加工过程离不开对机器人的智能化控制。基于Java、Python等通用编程语言，我们对全球最先进的库卡（KUKA）六轴工业机器人进行路径编程，发布了开源代码库。研究所在行业内率先实现了系统化地为规格不同的每一个零件输出特定的加工文件，实践了“个性化零件驱动”（component-driven）的制造模式。

视频：https://v.qq.com/iframe/preview.html?vid=u0705hvxiwy&amp

2. 木材加工自动化

(Timber Construction Automation)

中国传统木构技艺博大精深，其中优秀的榫卯构造、木结构整体力学性能不断地启发着当代设计师。另一方面，木材是100%可再生的建筑材料，在机械加工技术、金属连接技术、防腐防火处理技术的推动下，建筑木工工艺进入一个系统化、自动化的新阶段。我们利用关节机器人把切割、铣削、钻孔等一些列工艺融入到一个自动化平台中，实现了不规则复杂木构件的自动化加工，并且与数字化产品设计无缝结合。木榫卯与金属构件相结合的构造系统支持便捷、环保的搭建（拆除）方式。

木材自动下料排版

3. 数字化设计与结构优化

(Computational Design)

运算化设计方法可以方便地为每一个特定的环境与客户需求进行个性化、定制化的设计，并把设计结果直接传递给机器人系统完成所有构件的加工。我们在Upsilon项目中采用Java进行运算化设计与结构优化。计算机可以在瞬间产生千万种不同的设计，我们在程序中通过设定目标来提取最符合当前环境与要求的方案，同时也支持实时的方案调整，在根源上消灭了传统的人工“改图”过程。我们也在Java程序中实现了有限元（FEM）分析方法，并对展亭的形态进行优化，降低木构件连接处的弯矩，使整个结构趋于稳定。

2017年DADA国际数字设计工作营作品Neuron

2018CIROS参展作品

—— Upsilon展厅及Ivy展墙 ——

Upsilon展亭生成原理

造型原理

本次参展的东大展亭Upsilon是以上技术的集成品，主要由铝型材、天然木材、人造板材、电气设施、组合家具等构成。展厅平面为6*6米的方形，木结构从地面上一个直径0.6m的圆形范围内升起，如伞状覆盖整个展亭范围。伞状木构本身是一个自成系统的建筑结构（自重243公斤），同时扮演了装饰性柱子与吊顶的角色，成为整个展厅的视觉中心。

力学原理

Upsilon木构亭在生成设计阶段，程序系统化地调节整体形状使木梁连接处的弯矩与剪力趋于零。同时，我们革新了杆件类结构的有限元分析方法，能够在不计算节点位移的情况下直接计算每个杆件中的轴向力，大幅度简化了力学分析的线性代数模型。新的力学模型同时用于对展亭进行形状优化，实践了“力生形”的原理。受力分析与形状优化过程都在研究所自主开发的Java程序中完成。

节点设计

展亭的木构节点借鉴中国传统木结构榫卯技术，一个金属片连接三根木梁成为基本构造单元，更为现代和简洁。Upsilon展亭中每个木构件的长度不相同，每个构件上的切口也是非垂直、不规则的，手工或半自动化的加工方式难以实现。为此我们利用库卡（KUKA）六轴机器人、HSD自动换刀电主轴构成的加工系统对木材进行切割、铣、钻孔等加工，高效而精确了实现了非标准木构件的制造。

组装与拆卸

Upsilon木结构展亭的组装只需一天，拆卸只需2小时，过程中无污染、无材料耗费，整个展亭还可以多次重复使用。