3D robot na kamenické a sochařské SPŠ v Hořicích

Umělecká tvorba tradičně předpokládá vysokou úroveň tvůrčí invence, která je zároveň spojena s mimořádnou řemeslnou zručností.

V oblasti kamenosochařství, ať už v podobě sochařské tvorby nebo restaurování kamene, je uměním s tisíciletou tradicí. Dnešním jazykem řečeno, jde o tvorbu ve 3D, kdy jako výchozí materiál je použit kámen. Specifika tohoto oboru spočívají v odebírání materiálu, ze kterého vzniká skulptura.Technologie kamenosochařské tvorby je lidstvem provozována po tisíciletí v podstatě stejným způsobem. Převládá zde fyzicky náročná práce, kdy je materiál odebírán buď rázem nebo abrazí. Použité technologie jsou zároveň limitujícími faktory v možnostech tvarů. Ve světě se v podobě hight technology objevují první pokusy nahradit některé části technologie vzniku skulptury moderními postupy. Tyto jsou na bázi virtuálního modelování, skenování a obrábění v „nekartézských souřadných soustavách“. V ČR a dokonce i ve střední Evropě se takovéto technologie doposud neužívají a pokud ano, tak jsou na bázi tiskáren 3D, tedy fungují přesně obráceně. V zemích, kde se tradičně zpracovávají měkčí horniny typu mramor se postupně tato technologie zavádí i do provozních podmínek.

Cílem projektu je ve spolupráci s podnikatelskou sférou zavést tyto špičkové technologie v podobě know how do praxe na vzdělávací institucí. Bez ambicí na ziskovost projektu. Z hlediska stupně inovace jde o inovaci nejvyššího řádu, která rozšíří možnosti stávajících technologií o další aplikace.

Projekt je zajímavý nejenom pro sekundární, ale také terciérní vzdělávání a jejich instituce. Vedle uměleckých možností má potenciál i v technické oblasti ušlechtilé kamenické výroby. Využití skeneru pak otevírá možnosti v dokumentaci památek ve 3D. Pro trh práce představuje projekt jako celek unikátní inkubátor pro nasazení moderních technologií i do konzervativního prostředí umělecké tvorby. V neposlední řadě je očekávaným cílem potenciál rozšíření některých periferií o aplikace, které jsou blízké spíše designu kamene.

Celou technologii lze rozdělit na tři základní a SW propojené komponenty:
– 3D skener
– modelování ve 3D
– robotické rameno

3D SKENER

Skener, který je v sestavě celé technologie je ATOS, který je v tuto chvíli vybaven nejmodernější technologií – „parametrické inspekce“. Skenování je kombinováno s fotogrammetrií pro skenování velkých a velmi složitých objektů. Jeho měřící přesnost je o dva řády vyšší než jsou potřeby pro praxi v oblasti restaurování, dokumentaci a tvorbu 3D objektů. Velmi vysoká přesnost bude využita pro partnery projektu v oblasti terciérního vzdělávání. Zde je možné měřit deformace objektu, úbytky hmoty skulptur, zaznamenávat detaily pro identifikaci originálů v setinách mm apod. V obecném smyslu pak toto pracoviště poskytuje transformační prostředí, které odděluje tvůrčí manuální práci výtvarníka od matematického modelu ve 3D.

3D MODELOVÁNÍ – VIRTUÁLNÍ SOCHAŘSTVÍ A DESIGN

Pracoviště pro modelování ve 3D je schopné nabídnout sochaři nebo designérovi modelovat přímo v prostoru složité tvary. Děje se tak prostřednictvím dotykové paže, která je schopna navodit pocit odporu virtuální hmoty (např. hlíny) na ovládající ruku. Menu SW nabízí velmi široký sortiment generovaných polotovarů, nástrojů a jejich velikostí a dalších možností převyšujících možnosti reálných materiálů a prostředků jejich tvarování. Další možností je „editace“ objektu načteného skenerem. Tato varianta má potenciál zásadně změnit možnosti pro restaurátorské práce v sestavování fragmentů těžce poškozených děl (z více částí), rekonstrukce chybějících částí, rekonstrukci 3D objektu z objektů 2D (např. fotografií). Obsah práce tak integruje ryze technickou činnost a činnost uměleckou. Pro dokonalejší představu lze na tomto pracovišti animovat 3D objekt barvou a texturou libovolného materiálu na povrchu díla. SW vypočítává těžiště a velikosti ploch pro další možné technologické postupy (manipulace objektem, zlacení apod.). Další možností je proměřování objektů s vysokou přesností pro speciální účely (např. odhalování padělků, korekce úbytku materiálu, sesychání, praskání apod.). Standardní částí SW je pak možnost vyhlazování tvarů, tvorba voxelového modelu, rozdělování a spojování ploch apod. Pro technické účely jsou možnosti otevřeny pro výrobu a kontrolu přesnosti forem pro tlakové lití, analýza deformačních ploch a prostoru, kontrola drsnosti povrchu apod. Výstupem jsou polygonální data, která lze zpracovat pro potřeby vyřezání díla v libovolném měřítku na robotickém rameni. Zásadním rozdílem oproti tvorbě vyššími programovacími jazyky je neomezenost matematickými křivkami a plochami a jejich kombinací. SW akceptuje libovolné zásahy do kompaktní hmoty bez korekce v podobě interpolačních a extrapolačních polí.

ROBOTICKÉ RAMENO

Robotické rameno, pro svoji kinematiku pohybu, znamená zásadní inovaci v možnostech obrábění složitých tvarů v prostoru. Pracuje v sedmi osách v systému sférických nebo cylindrických souřadnic. Lidská ruka, kterou svojí prací rameno nahrazuje má stejný počet stupňů volnosti za předpokladu použití ještě otočného stolu. Drtivá většina obráběcích strojů pracuje v souřadnicích kartézských (pravoúhlých) a nemůže tak vyhovět požadavkům na tvary v prostoru. Rameno má na posledním prvku (ekvivalentní je lidskému zápěstí) vřeteno, které nese nějaký rotační nástroj.

Robotické rameno je možno pro jednodušší tvary popsatelné matematickými funkcemi alespoň po částech spojitými programovat přímo. Takto lze vyrábět kamenné konstrukce v oblasti ušlechtilé kamenické výroby (prizmatické díly, schody, zábradlí ve šroubovici, rotační součásti, klenby, rozety, desky apod.).

Pro ryze uměleckou tvorbu je pak nutné zpracovat sken vzniklý naskenovaním modelu, modelem vytvořeným virtuální tvorbou nebo jejich kombinací. Matematika jednotlivých drah nástrojů se neopírá o spojité funkce a reaguje pouze na přesnosti interpolace měřením sečen. SW zařízení pak dokáže kompilovat data s ohledem na požadovaný vztah rozměrů model – dílo v libovolném měřítku. Provoz robotnického ramene je technickou a především technologickou záležitostí. Je zde nutné určit technologický postup, který je pro dané dílo nejvhodnější. To vyžaduje poměrně hluboké znalosti postupu práce sochaře, které je nutné akceptovat pro práci nástrojů. Stroj si sám vyměňuje nástroje a pracuje v zásadě v režimu hrubého opracování a opracování jemného. Konečná úprava povrchu díla je však i nadále výsostným prostorem pro sochaře. Na rozdíl od obrábění technických děl jako jsou licí formy apod. zde nejde o dosažení přesnosti, ale optických vlastností světla na povrchu díla. Využití této technologie spočívá v dramatickém odstranění těžké fyzické práce sochaře při hrubém opracování díla. Zcela odpadá přenášení hlavních bodů ať v měřítku nebo v poměru 1:1 a veškerá měření. Pro technologii výroby replik vzácných děl se nabízí namísto výdusků výroba kopií. Rameno nabízí až extrémní přesnost 0,05 mm. Ve spojitosti se skenerem a modelováním pak lze vyrábět a zároveň restaurovat díla aniž by se originálu dotkla ruka.

Zdroje: Lomy a těžba