Ice construction has been used for practical and artistic purposes for thousands of years. In the past few decades, computer numerical control (CNC) ice sculpting has become a well-established industry, with many companies producing ice sculptures for corporate events. This thesis presents a novel form of ice construction, namely, 3D ice printing, also known as rapid freeze prototyping. Rapid prototyping is an interesting alternative technique for ice construction, since it can be used to produce many objects that would be difficult or impossible to build with manual or CNC techniques. A robot-assisted rapid prototyping system has been produced by retrofitting an Adept Cobra 600 robot. This thesis first provides an overview of the system; then, several of the innovative control algorithms that have been implemented are reported. The Cobra 600 system is capable of constructing any 3D model, up to a size of approximately 300 × 300 × 200 mm; the system accuracy is approximately 0.5 mm, with the rate of construction about one litre per day. Most of the retrofitting work has been on the software side; several innovative algorithms have been produced, which represent the main contributions to knowledge of this thesis. A part-slicing algorithm produces deposition paths from CAD parts; compared to the established algorithms on which it is based, computational efficiency has been greatly improved. A trajectory control algorithm produces data for controlling the Cobra 600 system during part construction. This algorithm is unique because of its simple, robust approach to the time-optimal trajectory planning problem, and its independence of a dynamic model of the robotic system. A geometric feedback system has been developed that detects and corrects geometry errors during part construction. An integral component of this system is a three-dimensional spatial PID controller, produced by transforming the traditional PID controller, which is one-dimensional in time. Time-varying flow control has also been developed and implemented, as both a necessary feature to complement variable-speed deposition paths and a means to correct part errors detected with the geometric feedback algorithm. All of the algorithms described above have been integrated to produce the Cobra 600 software implementation. Many of the innovative techniques developed are applicable to other rapid prototyping systems; additionally, some are applicable to other fields of research, including mapping, manufacturing, and signal processing. / La construction en glace est utilisée à des fins pratiques et artistiques depuis des milliers d'années. Au cours des dernières décennies, l'usinage de glace par CNO (commande numérique par ordinateur) est devenu un secteur bien établi, où également diverses sociétés produisent des sculptures pour des événements corporatifs. Cette thèse porte sur une nouvelle technique de construction en glace par impression 3 D. Cette technique, aussi appelée le prototypage rapide, peut être utilisé pour produire des objets qu'il serait difficile ou même impossible de produire avec les techniques traditionnelles d'enlèvement de matière. Un système de prototypage rapide en glace a été conçu et mis au point au moyen d'un robot Cobra 600 d'Adept Technology. Cette thèse donne un aperçu du système d'impression 3 D et des divers algorithmes novateurs mis au point. Le système Cobra 600 est capable de construire n'importe quel objet, de dimensions maximales de 300 × 300 × 200 mm, avec une précision d'environ 0,5 mm, et une cadence de construction d'environ un litre par jour. La plupart des contributions à l'avancement des connaissances porte sur les logiciels. Un algorithme de tranchage de l'objet produit les trajectoires de déposition ; comparé aux algorithmes bien établis, sur lesquels il est basé, l'efficacité de calcul est nettement meilleur. Un deuxième algorithme génère l'information de commande nécessaire pour construire un objet avec le système Cobra 600. Son approche simple et robuste minimise le temps requis pour suivre une trajectoire, et le rend indépendant du modèle dynamique du robot. Un système d'asservissement géométrique détecte et corrige les erreurs géométriques durant la construction de l'objet. Un régulateur OIT (odométrique, intégral, tachymétrique) spatiale 3 D remplace le régulateur OIT traditionel, unidimensionnel et temporel. La commande variable de l'écoulement du liquide complète les trajectoires de déposition à vitesse variable, et corrige les erreurs détectées au moyen du système d'asservissement géométrique. Tous les algorithmes décrits ci-dessus sont intégrés afin de permettre l'utilisation du logiciel du système Cobra 600. De nombreuses techniques novatrices mises au point dans le cadre de cette recherche sont susceptibles d'application aux autres systèmes de prototypage rapide ; en outre, certaines peuvent être appliquées à d'autres domaines, comme la cartographie, le traitement de signaux, et la fabrication.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.114155 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Barnett, Eric |
| Contributors | Damiano Pasini (Supervisor2), Jorge Angeles (Supervisor1) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Mechanical Engineering) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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