基于無人系統的建筑智能表皮裝置初探

郭志鵬，張芮，馬云天，馬明睿，劉曉霖

（1.西北工業大學力學與土木建筑學院；2.西北工業大學航空學院）

1 引言

隨著參數化設計軟件發展與數字化建造技術改革的進行，建筑設計在觀念、方法和過程方面發生了較大改變，建筑表皮設計結果因此展現出了更為靈活自由的立面效果。例如利用Grasshopper軟件中的分形、干擾、縮放等功能為建筑表皮設計非線性的立面紋理樣式。即便如此，目前大多數建筑表皮依舊停留在靜止狀態，動態化的互動建筑表皮是目前打破靜止的主要手段之一。

建筑互動需要以數字傳輸為核心，以交互裝置為主體，融合以建筑構造、建筑美學以及其他相關技術，從而實現令建筑得以實時接收外部信息，控制改變表皮互動裝置的幾何形狀、分布情況或表層物理屬性，以對周圍環境做出反應，適應不同要求。作者在參與大學生創新項目“基于無人系統的智能化建筑表皮研究”過程中，結合無人系統與交互設計技術，利用Grasshopper、Python軟件與Raspberry Pi系統建立裝置模型，探索了一種為實現智能化建筑表皮系統的一種有效方案[1]。

2 互動表皮構造

2.1 表皮模塊化處理

表皮模塊化處理是本次設計的實現基礎。由于互動式建筑表皮需實時針對外部變化因子作出反應，表皮整體的變化自由度決定了表皮可適應外界環境的復雜程度，模塊化表皮的設計策略可在很大程度上提高互動表皮的應用潛力[2]。

模塊化表皮的基本組成單位是模塊表皮單元，其作為系統的基礎部分，自身結構性能完好，各模塊單元之間無干擾，且模塊可拆卸，便于更新與維護。本次設計中的表皮模塊單元外板輪廓呈方形，單個模塊具有35°空間角活動范圍與150mm最大直線行程，各模塊單元可獨立接收運動指令，模塊群體依據一定邏輯重組，可實現指定函數曲面的擬合從而完成對于環境變化的響應（見圖1）。

圖1 智能表皮模塊化處理

2.2 表皮模塊單元模型設計

如圖2所示，表皮模塊單元模型分為亞克力背板和PVC外板，背板固定時，外板可由4個MG996R舵機控制而靈活運動。

圖2 可動表皮模型

如圖3所示，4個舵機通過扎帶與背板相連，舵機臂、延長臂通過螺絲與舵機相連，定位銷與延長臂相連，延長臂通過導軌與外板相連，導軌通過螺絲與外板相連。直線軸承固定在背板上，與光軸相連，光軸與KFL08帶座球面軸承相連，軸承通過連接板與外板相連。

圖3 模型背面結構

（其中：1、3mm亞克力背板；2、MG996R舵機；3、舵機臂；4、舵機線纜；5、亞克力延長臂零件；6、7mm PVC外板；7、KFL08帶座球面軸承；8、亞克力軸承連接板；9、亞克力導軌零件；10、亞克力導軌墊；11、8x300mm光軸；12、1.7mm扎帶；13、LMK8LUU直線軸承；14、線纜孔）

執行動作時，4個舵機旋轉至對應角度，使延長臂相對背板伸出一定距離，延長臂上的定位銷與導軌產生滑動；同時固定在外板上的球面軸承保證外板的角度能夠變化，而外板的中心高度不變，與球面軸承相連的光軸通過直線軸承與背板相連，保證外板能夠前后活動。4個定位銷的空間位置決定外板的位置，光軸隨外板自由滑動，球面軸承也隨之自由轉動。光軸、直線軸承、球面軸承組成的體系能夠承受外板及附屬配件的重力，保證外板在動作角度不同時板中心的垂直高度不變。

舵機2的安裝方向安排為旋轉對稱式，保證延長臂的中心都在外板的對角線上，還能保證安裝時舵機的所有配件方向相同、舵機的控制方式相同，簡化安裝流程和控制程序。

由于外板采用較軟的PVC材質，與外板連接的所有零件均采用直徑較小的M2螺絲固定，并且導軌、導軌墊采用4顆螺絲，以保證螺絲與PVC板的接觸面積充足，連接牢固。導軌墊10的厚度采用2mm，保證延長臂的邊緣不剮蹭外板，防止產生阻力。延長臂與舵機臂的連接孔有一個半開放，以避免零件公差影響，并簡化安裝流程。延長臂與定位銷的連接孔設兩個，保證意外斷裂時有備份可用。球面軸承連接板的厚度為5mm，一方面防止球面軸承上的大尺寸螺絲直接安裝在外板上產生滑絲，另一方面為球面軸承預留轉動空間，防止外板大角度轉動時偏離外板平面的球面軸承剮蹭、破壞外板。

導軌和導軌墊與背板僅通過定位銷接觸，接觸面積小，且滑軌雙面都為亞克力材質，滑動阻力很小。雖然理論上支滑軌就能確定外板的位置，但為穩定性和與外板方形的形狀契合，本技術方案采用支滑軌。

3 程序設計

在本結構的設計中，相關程序主要分為兩類：識別程序與控制程序。

3.1 識別程序

在實際的應用場合中，表皮結構需要根據外界不同變化而做出相應的運動，以達到設計時要求的智能交互。在識別方面，我們主要考慮兩方面：對外界環境變動的識別，如運動物體，對特定物體的識別，如人臉，特定手勢。

對運動物體的識別，我們主要運用幀差法與背景減法相結合的改進方法識別：幀差法指對相鄰幀進行差分，相同背景部分會被抵消，如果存在運動物體，便會被檢測出，但受到運動物體速度的影響，易于出現空洞或重影；背景減法指將當前幀與背景幀相減，并且進行二值化處理，最終得到運動物體的形狀與位置信息，但易于受到環境光線變化影響，并且不易檢測出色彩過近的運動物體。因此，我們綜合兩種方式，對結果進行邏輯異或運算，得到最終結果，其實現流程如圖4所示。

圖4 檢測流程

對于人臉或特定手勢的識別，我們主要擬采用基于神經網絡的識別方式，對視頻中出現的人臉或特定手勢進行判斷識別，反饋給控制程序進行相應表皮變化[3-6]。

3.2 控制程序

對于我們所設計的結構，其姿態的變化主要取決于每個單元四個舵機的控制角度。在實際控制中，對于一個給定的姿態，我們需要得到舵機角度，與每個舵機角度的變化速度，以使每一時刻均滿足該結構的物理特性。

通過分析物理特性，我們可以發現，該結構具有以下特點：中心位置僅在一個維度發生變化；對角線始終互相垂直，并交于中心。因此，我們在實際控制時，將四個舵機角度轉化為三個參量，即：中心伸出度h，對角線角度θ1，對角線角度θ2。事實上，兩個對角線角度的結構特性是統一的，因此我們以一例進行說明。

如圖5所示，當給定單側參數h與α1時，通過求解如下方程，即可得到對應角度θ1與θ2。

圖5 單側示意

需要注意的是，為保證盡快得到預定姿態，在存在多解時，θ1取較小值，θ2取較大值。

4 互動特性

4.1 互動類型

1）從行為模式角度分類

在揚·蓋爾的《交往與空間》[7]中將戶外活動分為三種類型，分別是必要性活動、自發性活動和社會性活動。建筑智能表皮裝置設計就是激發建筑表皮的自發性活動的問題，對應人群在建筑外的活動行為將智能建筑表皮的互動特性設計成離散型和目標型兩類。

①根據揚·蓋爾的理論，離散型的單個活動可以相互激發，離散型交互針對的目標人群相對較廣，人與表皮間的交互也具有隨機性特征，交互信息比較模糊。因而對交互信息處理時不做過多的篩選。

②目標型交互針對的是明確的個體或群體，往往適用于人流量比較低的情形，通過沉浸式體驗，目標強化等形式刺激交互行為的發生，強化目標的感官體驗和趣味性。

2）從智能表皮功能屬性角度分類

在《體驗經濟》中約瑟夫·派恩站在體驗和人之間的關聯的方向上，利用坐標系的方法對體驗進行分類，他將體驗劃分為四種，分別為娛樂、教育、逃避以及審美這四種感知行為。分析我們的智能表皮，可根據功能劃分為娛樂休閑型交互和教育紀念型交互[8]。

①娛樂休閑型交互是滿足人們的娛樂休閑功能，與智能表皮的交互本身就具有游戲娛樂的屬性，用戶體驗較強烈、刺激。

②教育紀念型交互功能是教育紀念性的，整個墻壁都是對當今科技發展的一種呈現，表皮還可以嵌入一些其他元素以達到展示效果。

4.2 智能表皮互動方式

1）動態法

通過對于外界使用者行動變化的實時捕捉分析，智能表皮的形狀與狀態可根據系統反饋信息進行改變。動態法互動方式利用表皮構造的動態形式最直接地做到了吸引注意的效果。在本次智能表皮設計當中，表皮模塊單元可以根據程序命令改變舵機角度從而調整自身狀態，例如圖6塌陷與突出、空間角旋轉等。

圖6 模塊單元塌陷與突出、空間角旋轉示意圖

2）強調法

在動態法交互方式的基礎上，對智能表皮使用外設光源或外設設備可以引導人的注意力集中于某一片區域附近，因而更好地展示智能表皮所額外嵌入的元素。

5 結語

將傳統建筑學理論與程序設計、電子信息等多學科技術融合，建筑表皮向自感應、自控制、自響應的高集成度動態化無人系統進行轉化，其為建筑本身創造更為靈活的功能環境，實現更為豐富的空間形態。同時無人系統與傳統建筑的融合將有利于突破傳統建筑設計思維界限，為建筑學進一步探索提供思路，為未來高智能化建筑的實現提供契機。