Konstruktion: Berechnung komplexer Teleskop-Strukturen

Entwickler an der Carnegie Mellon University zeigen eine Berechnungsmethode für komplexe, teleskopartig aufziehbare Strukturen, die für die aufblühende Welt der digitalen 3D-Fertigung gedacht ist. Ein daraus entwickeltes Tool für das computergestützte Design ermöglicht es Anwendern,  jegliche dreidimensionale Form in gebogene oder verdrehte Teleskopstrukturen überzuführen, die sich dementsprechend zusammenschieben oder expandieren lassen.

Die neue mathematischen Verfahren, die von den Forschern an der Carnegie Mellon University entwickelt wurden, erfassen die komplexen und vielgestaltigen Eigenschaften derartiger Strukturen, die für eine Reihe von Anwendung in der 3D-Fertigung und in der Robotik wertvoll sind, wo die Mechanismen kompakt und leicht aufstellbar sein müssen.

Die Arbeit „Computational Design of Telescoping Structures“ unter der Leitung der Carnegie Mellon-Professoren Stelian Coros und Keenan Crane sowie dem Doktoranden Christopher Yu wird an der jährlichen SIGGRAPH-Konferenz vom 30. Juli bis 3. August in Los Angeles vorgestellt werden.

Traditionelle Teleskope sind perfekt gerade, und die Möglichkeit, sie aus einer kompakten Form in eine wesentlich größere Struktur aufzuziehen, wurde in Konstruktionsentwürfen schon im großen Maßstab ausgereizt. Doch bislang gab es noch keine systematische Studie der verschiedenen Arten von Formen, die sich mit teleskopartigen Strukturen modellieren lassen. Auf einer Maker-Messe stießen die Forscher auf einen Satz von einziehbaren Spielzeugkrallen, die denen des populären X-Men-Helden Wolverine nachempfunden waren. Von der gebogenen Form der Kralle inspiriert, begannen sie die Idee auszuloten, die Konstruktion teleskopischer Strukturen zu automatisieren. Dazu haben sie eine große Vielfalt von Formen untersucht, die aus einem einfachen Teleskopmodell erwachsen können.

Wozu Teleskopstrukturen?

Ganz anders als das typische gerade Teleskop für die Himmelsbeobachtung können andere zusammenschiebbare und wieder ausziehbare Strukturen von einem gebogenen und gedrehten Teleskopdesign profitieren: Camping-Ausrüstung wie Zelte, ein Stent, der am Einsetzpunkt winzig ist, der aber, wenn einmal chirurgisch platziert, sich entfaltet, oder ein Roboter-Arm, der sich selbst auf die Größe und in die zylindrische Form einer Coladose zusammenziehen kann, was ihn portabel und vielseitig machen würde.

Keenan Crane, Co-Autor und Assistant Professor of Computer Science and Robotics an der Carnegie Mellon University merkt an, dass man mit Teleskopen durch das Aufziehen viele verschiedene Formen erzielen könne. „Wir wollten wissen, was all diese möglichen Formen sind, die man aus einer teleskopartigen Struktur machen kann.“

Wie es funktioniert

Das mathematische Modell für diese Strukturen fußt auf drei leicht einsehbaren Anforderungen: Jede der ineinander verschachtelten Hüllen muss aus starrem Material zu fertigen sein (wie Metall), das Teleskop muss sich kollisionsfrei ausdehnen und zusammenschieben lassen können und es sollte kein überflüssiger Leerraum zwischen geschachtelten Bauteilen bestehen. Diese Anforderungen mündet in einer wichtigen Erkenntnis in geometrischer Hinsicht: die komplizierten mechanischen Beschreibungen eines Teleskops lassen sich durch einfache geometrische Kurven ersetzen, die einen konstanten Betrag an Krümmung aber eine frei wählbare „Verdrehung“ aufweisen und somit die geraden Teleskope der traditionellen Konstruktion auf eine allgemeinere Ebene heben.  Die Forschergruppe hat Anwendungen in der 3D-Fertigung und der Robotik erfolgreich getestet. Das neue System diente dazu,  sowohl einen flexiblen, steuerbaren Roboterarm als auch eine zeltähnliche Struktur zu konstruieren, welche das Mehrfache ihres Ausgangsvolumens erreichen kann.

Paper und Video: http://graphics.cs.cmu.edu/?p=1278

SIGGRAPH 2017: http://s2017.SIGGRAPH.org

Bild: Das neue Berechnungstool automatisiert das Design teleskopartiger Strukturen, kompakte Lagerung und schnelle Aufstellung gewährleisten. Hier: eine komplexe, ausziehbare Eidechse, die ein Vielfaches des ursprünglichen Volumens erreicht. Das Beispiel dient dazu, die Tauglichkeit des Verfahrens aufzuzeigen. 

CREDIT: CHRIS YU / CARNEGIE MELLON UNIVERSITY