建築的數位化由最初的二維平面繪圖延伸至三維物件的形態直接在電腦螢幕上的操作,建築設計與數位工具的運用方式有著極顯著的關聯性。而在過去的二十年中,無非是將數位建模軟體定位在視覺化處理或者是形態捕捉的一種工具,以往的建築設計的方式因為現今數位建築的發展與出現恩而產生了極大的改變;數位技術不再只是設計的工具而已,除了要面對電腦中虛擬的建築,更重要的是面對真實建構的建築。構築的技術包含結構的設計、細部設計在目前虛擬技術蓬勃發展的時代卻顯示出其有所不足。複雜的虛擬設計形體在面對其可建造性時,往往受限於技術的限制,原因是在設計時忽略了構造的邏輯性。自 1980 年代以後,六軸機械手臂已 經被廣泛地使用在汽車工業及航太工業,六軸機械手臂能直覺式的對於物件的操作與處理,將有助於數位建築 設計所產生複雜形體的建構。

本研究主要以如何利用機械手臂離線編程軟體 Scorpion 來操作機械手臂,並應用於數位製造上。主要 分成兩個階段:第一階段以機械手臂操作及運用機器手臂的邏輯來做為研究的主軸。在 Grasshopper 參數化建 模軟體的環境之下,透過 Scorpion 來做為離線編程的操作基礎;初期發展過程中,使用不同的機械手臂移動模 式搭配訊號控制的方式來操作簡易案例,並搭配自製的機器手臂末端執行器來完成所設計的製程。在第二個階 段以機械手臂的運作邏輯來討論砌磚的結構行為,透過從機械手臂基礎路徑與動作的設計檢視物件磚牆由設計 到堆砌製造之間的流程規劃。

在未來數位建築該面對的是該如何將建築設計建立在真實建構的基礎上,以此思考初步設計階段應予重視的構築策略。回到資訊層面來看數位建築,在此是將建築設計視為一種資訊傳遞與交換的行為,並將設計以至於建造的過程加以程序化;進而期盼可以更進一步分析不同的建造資訊,對於各種材料的構造行為具有全面的掌握。

The digitalization of architecture has developed from the initial 2D graphical drawing to the 3D object operation directly on the computer now, showing that the architecture design is closely related to the application of digital tools. In the past two decades, the digital modeling software has been positioned as a tool for visual processing or motion capture. The traditional architecture design methods have changed a lot due to the development and rising of digital architecture, making the digital techniques no longer the tools for design only. Apart from facing the virtual architecture in computer, it is more crucial that we also have to face the physical architecture. The architecture techniques include the structure design and the detail design, which show deficiency in the era of rapid development of virtual technology. The complicated virtual design is often restricted to technology in terms of the constructability, since the logic of structure is often neglected. Ever since 1980s, the six-axis robot arm has been widely applied in automobile and aerospace industries, since it can operate and process the objects intuitively which will facilitate the construction of sophisticated structure established by the digital architecture design.

This research mainly explores how to operate the robot arm with the offline programming software Scorpion and apply it in digital manufacturing. It is generally divided into two stages: the first is to take
the operation and the logic of robot arm as the principal axis of the research. Under the circumstance of parametric modeling software Grasshopper, the offline programming is operated based on Scorpion. During the initial development, different motion modes of robot arm are used to perform simple cases assisted by signal control, and the self-made robot arm terminal operator is adopted to finish the designed process. At the second stage, it uses robot arms to stacking the structure of brickwork, and checks the workflow planning from the design to the construction via the design of the fundamental routes and motion of robot arms.

As what the future digital architecture faces is how to build the architecture design on the basis of real construction, the principal construction strategy at the stage of initial design shall be considered. Viewing the digital architecture from the perspective of information, the architecture design is treated as a behavior of information transformation and exchange, which also shows the design and construction process in programs. It is expected to further analyze different construction information so that we can have a clear idea of the construction with different materials.

目錄
1 緒論 1
1-1 研究動機 1
1-1-1 個人對數位設計與製造經驗 1
1-1-2 機械手臂 2013、2014 工作營之啟發 2
1-1-3 結合機械手臂的自造者 3
1-1-4 了解機械手臂在其他領域的應用 4
1-1-5 展望結合機械手臂的建築製造業 5
1-2 研究目的 6
1-2-1 了解當今機械手臂發展歷史 6 
1-2-2 機械手臂週邊相關軟硬體設備 6 
1-2-3 以機械手臂精準放樣 6
1-2-4 機械手臂的材料與加工 7
1-2-5 以機械手臂發展材料實驗 8 
1-2-6 思考數位建築新向度 8
1.3 研究領域 9
1-3-1 參數化設計 9 
1-3-2 衍伸式設計 9
1-3-3 數位製造 9
2 文獻
 11
2-1 數位性與材料性 11
2-2 書籍及網頁 12
2-2-1 The Robotic touch
 12
2-2-2 NCCR Robotics
 12
2-2-3 Association for Robot in Architecture 13
2-2-4 RoboFold 13
2-3 相關案例 14
2-3-1 放樣 14
Gantenbein Vineyard Façade 14
The Programmed Column 15
2-3-2 加工 16
The Dissolved Wall 16
ICD/ITKE Research Pavilion 2012 17
2-3-3 非制式材料 18
Phantom Geometry (Sci-arc) 18
Mesh Mould 19
2-4 週邊設備 20 
2-4-1 機械手臂種類 20 
2-4-2 硬體設備(本論文將以 UR5 及 UR10 作為硬體設備) 21 
機械手臂本體 21 
控制箱 22 
末端執行器 23 
安全閘門 25 
Arduino 25 
2-4-3 全球主要機械手臂公司 26 
KUKA 26 
ABB 26 
Universal Robot 26 
2-4-4 操作界面 27 
操作面板控制 27 
程式控制 28 
2-4-5 常用圖像化程序操作 (Grasshopper) 29 
HAL |Robot Programming & Control 29
Scorpion 31 
Firefly 32 
3. 基本測試操作 34 
3-1 視覺化機械手臂路徑編程軟體(Scorpion)基本操作邏輯 34 
3-1-1 路徑的參考放樣點設置 34 
3-1-2 末端執行器設置 36 
3-1-3.IKsolver 37 
3-1-4. IO 及動作整合 38 
3-1-5. 上傳及回傳即時資料 40 
3-2 定位 42 
3-2 加工 44 
3-4 材料測試:沙塔 48 
3-5 透過文字編程溝通 56 
4. 機器手臂的抓取與放置 62 
4-1. 抓取與放置流程操作測試 62 
4-1-1. 抓取與放置硬體配置 62 
雙向平行夾爪安裝方式 62 
真空吸盤模組安裝方式 62 
抓取與放置軟體設置 64 
4-2. 海草列柱 70 
4-2-1. 初期測試 70 
4-2-2. Grasshopper 輔助設計 74 
4-2-3. 製造流程設計 78 
5 六軸機械手臂視覺化離線編程與數位製造工作營 91 
5-1 工作營目的 91 
5-2 工作營課程內容 92 
5-2-1 課程設計 92 
工作營目標 92 
機械手臂基礎知識 92 
上線操作 93 
5-2-2 工作營第一階段 -Brick Column 96 
Brick Column 課程內容 96 
Brick Column 範例 001 97 
Brick Column 範例 002 97 
5-2-3 工作營第二階段 -Styrofoam Prototype 102 
Styrofoam Prototype 課程內容 102 
6 結論與建議 117 
6-1 設計回顧 117 
6-1-1 操作練習 117 
6-1-2 海草列柱 118 
6-1-3 2015 傳承工作營 - 六軸機械手臂離線編程 120 
6-2 軟硬體後續研究建議 121 
6-2-1 軟體使用建議 121 
6-2-2 硬體建議 122 
參考文獻 124 



圖目錄

【圖 1-1】畢業設計局部透視圖 1 
【圖 1-2】畢業設計單元構造細部 1 
【圖 1-3】Additive Robotic Materialization in TKU 2 
【圖 1-5】2014 AA Visiting School ,Generative-Glass 2 
【圖 1-4】ARM Project 2 
【圖 2-1】The robotic touch 12 
【圖 2-2】NCCR logo 12 
【圖 2-3】Association for Robot in Architecture logo 13 
【圖 2-4】RoboFold logo 13 
【圖 2-5】Gantenbein vineyard facade 室內 14 
【圖 2-6】Gantenbein vineyard facade 外觀 14 
【圖 2-7】The Programmed Column 15 
【圖 2-8】The Dissovled Wall 16 
【圖 2-9】ICD/ITKE Research Pavilion 2012 17 
【圖 2-10】Phantom Geometry 18
【圖 2-11】Mesh mould 19 
【圖 2-12】Universal robot 關節示意圖 21 
【圖 2-13】TCP 設置畫面 21 
【圖 2-14】UR5 載重分析 21
【圖 2-15】UR10 載重分析 21
【圖 2-16】控制箱內部 I/O 孔位配置圖 22 
【圖 2-17】UR5 法蘭面工程圖 23 
【圖 2-18】UR10 及 UR5 IEC 接頭位置圖 23 
【圖 2-19】GP104 平行夾爪 23 
【圖 2-20】三軸定心夾爪 23 
【圖 2-21】快速換模接頭 23 
【圖 2-22】Unigripper 真空海綿吸取裝置 24
【圖 2-23】電磁式吸取工具 24 
【圖 2-24】氣動式鑽頭 24 
【圖 2-25】浮動式研磨工具 24
【圖 2-26】Suspended Depositions 24 
【圖 2-27】五孔二位電磁閥 25 
【圖 2-28】空氣壓縮機 25 
【圖 2-29】Arduino UNO 25 
【圖 2-30】KUKA logo 26 
【圖 2-31】ABB logo 26 
【圖 2-32】Universal robots logo 26 
【圖 2-33】機械手臂初始畫面 27 
【圖 2-34】機械手臂操作程式主畫面 27 
【圖 2-35】HAL logo 29
【圖 2-36】Hal component catalogue 30 
【圖 2-37】Scorpion logo 31 
【圖 2-38】UR10 simulation in Scorpion 31 
【圖 2-39】Scorpion example file in Grashopper 31
【圖 2-40】Firefly Logo 32
【圖 2-41】Arduino Firmata 32
【圖 2-42】Firefly program with Arduino UNO board 32 
【圖 3-1】操作邏輯示意圖 34 
【圖 3-2】Grasshopper 末端執行器設置元件 36 
【圖 3-3】UR5 模擬模型畫面 36 
【圖 3-4】Scorpion origin setup.pdf 37
【圖 3-5】關節解決方示意圖 37 
【圖 3-6】移動方案元件 38 
【圖 3-7】IO 設置元件 39
【圖 3-8】指令元件 39
【圖 3-9】資料上傳元件 40
【圖 3-10】資料回傳元件 40 
【圖 3-11】Scorpion 使用範例 41 
【圖 3-12】光軌開放軌跡 43 
【圖 3-13】光軌開放軌跡 Grasshopper 定義檔 43 
【圖 3-14】光軌封閉軌跡 43 
【圖 3-15】光軌封閉軌跡 Grasshopper 定義檔 43 
【圖 3-16】氣動鑽頭末端執行器 44 
【圖 3-17】多角度鑽孔示意圖 44 
【圖 3-18】氣動鑽頭位置與 IO 設置 Grasshopper 定義檔垂直鑽孔示意圖 45 
【圖 3-19】垂直鑽孔 Grasshopper 定義檔 45 
【圖 3-20】垂直鑽孔示意圖 45 
【圖 3-21】單一角度鑽铣示意圖 46
【圖 3-22】多種角度鑽铣示意圖 46 
【圖 3-23】鑽铣圖樣 46 
【圖 3-24】鑽铣過程 47 
【圖 3-25】沙塔 Grasshopper 定義檔 48 
【圖 3-26】沙塔製作示意圖沙塔 48
 【圖 3-27】沙塔分層製作斷面 49 
【圖 3-28】點膠機 50 
【圖 3-29】點膠機構造爆炸圖 51 
【圖 3-30】點膠機 Arduino 電路配線圖 52 
【圖 3-31】點膠機 Arduino 動作程式碼 52 
【圖 3-32】點膠機安裝示意圖 53 
【圖 3-33】沙塔製作流程 55 
【圖 3-34】Processing Universal Robot 關節操作使用者介面 56 
【圖 4-1】真空吸盤固定座 63 
【圖 4-2】活動式真空吸盤固定座 63 
【圖 4-3】氣動平行夾爪設置 63 
【圖 4-4】曲面平砌法模擬 65 
【圖 4-5】平砌法示意圖 65 
【圖 4-6】荷蘭式砌法示意圖 65
【圖 4-7】荷蘭式砌法模擬 66 
【圖 4-8】二維曲面平砌法模擬 66 
【圖 4-9】二維曲面平砌法 Grasshopper 定義檔 67 
【圖 4-10】二維平砌法製作過程縮時 68 
【圖 4-11】二維平砌法製作過程 69 
【圖 4-12】木塊垂直堆疊測試 70 
【圖 4-13】垂直堆疊形態模擬 71 
【圖 4-14】同時 4 組木塊垂直堆疊測試 71 
【圖4-15】鏡射、對稱、旋轉堆疊測試1 72 
【圖4-16】鏡射、對稱、旋轉堆疊測試2 72 
【圖 4-17】多重向度交卡測試 73 
【圖 4-18】柱身製作過程模擬 74 
【圖 4-19】柱身製作過程模擬 75
【圖 4-20】柱身製作過程 Grasshopper 定義檔 75 
【圖 4-21】柱腳製作過程模擬 76 
【圖 4-22】柱腳製作過程模擬 77
【圖 4-23】柱腳製作過程 Grasshopper 定義檔 77 
【圖 4-24】製作過程分組 Grasshopper 示意圖 78 
【圖 4-25】Pick & Place 動作流程設定元件 79
【圖 4-26】Link 插件 80 
【圖 4-27】Pick & Place IO 設定 81
【圖 4-28】控制面板訊息 Grasshopper 設定 81 
【圖 4-29】海草列柱 Grasshopper 定義檔 82 
【圖 4-30】海草列柱機械手臂製程設定定義檔 82
【圖 4-31】海草列柱透視圖 84 
【圖 4-32】海草列柱製作過程 85 
【圖 4-33】海草列柱製作過程 86 
【圖 4-34】海草列柱製作過程 87 
【圖 4-35】海草列柱宜蘭綠色博覽會展出 88 
【圖 4-36】海草列柱宜蘭綠色博覽會展出 89 
【圖 5-1】機械手臂操作教導版 93 
【圖 5-2】工作營海報 94 
【圖 5-3】工作營工作環境及機器架設 95
【圖 5-4】工作營上課情況 96 
【圖 5-5】Brick column 001 Grasshopper 定義檔 97
【圖 5-6】Brick column 002 Grasshopper 定義檔 97 
【圖 5-7】Brick column_001 98 
【圖 5-8】Brick column_002 99
【圖 5-9】Brick column_003 100
【圖 5-10】Brick column_004,005,006,007 101
【圖 5-11】工作營第二階段手動切割模擬 102 
【圖 5-12】保麗龍氣動夾具構造圖
 104
【圖 5-13】保麗龍切割硬體架設 105
【圖 5-14】原形測試模型牆面
 105
【圖 5-15】Styrofoam project 001
 106
【圖 5-16】Styrofoam project 001
 107
【圖 5-17】Styrofoam project 002
 108
【圖 5-18】Styrofoam project 003 109
【圖 5-19】Styrofoam project 004
 110
【圖 5-20】工作營成果展開幕對談
 112
【圖5-21】工作營成果展作品導覽1 114 
【圖5-22】工作營成果展作品導覽2 114 
【圖5-23】工作營成果展作品導覽3 115 
【圖5-24】工作營成果展作品導覽4 115

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