Керівництво по створенню механічних щупалець в домашніх умовах: частина 1 +62
- 11.10.16 3:43 •
- SLY_G •
- # Двісті вісімдесят одна тисяча триста сімдесят дві •
- Гіктаймс •
- Переклад •
- 30 •
- 22200
- такий же як Forbes, тільки краще.
Початківцям насправді краще почати занурення з навчалок від Стена Уїнстона. За дві години інструктор Річард Лендон описує загальну суть, набір необхідних компонентів і техніки виготовлення механізму щупальців за допомогою набору типових інструментів - не кажучи вже про купці чудових прикладів з кіно. [1]
Також ми отримуємо можливість зазирнути краєчком ока в світ виготовлення складніших пристроїв на базі тих же принципів. Я б хотів почати розповідь з того моменту, як він закінчує - з двоступеневих щупальців, гнуться на 4 сторони. Крім того, я внесу одна зміна в дизайн щупалець від Лендона. Воно дозволить вам побудувати власне щупальце і контролер всього лише з декількох готових компонентів, полиформальдегида [derlin] і лазерного різака ... Гаразд, і ще з парочки частин, надрукованих на 3D-принтері.
У щупальця є два ступені, у кожної з яких є два ступені свободи. Вони дозволяють кожному ступені згинатися в двох перпендикулярних напрямках. Комбінуючи ці ступені свободи, в сумі ми отримуємо чотири, що дозволяють нам емулювати цілком правдоподібні органічні руху. На анімації, придивившись, можна побачити місце з'єднання двох ступенів - приблизно посередині щупальця.
При хорошій збірці ми можемо контролювати обидві частини незалежно один від одного. В ідеалі. У реальності немає нічого ідеального, і у наших матеріалів є свої обмеження. Нам необхідно буде пограти натягом і міжхребцевих відстанню, поки ми не досягнемо задовільних результатів.
В ідеалі, потягнувши за трос будь-який з ступенів, ми доб'ємося ідеальної дуги, зменшується в діаметрі при збільшенні натягу. Але через втрати на тертя в кожному з хребців ми не зможемо досягти ідеальної дуги, хоча результат буде досить непоганим для того, щоб обдурити людей, що знаходяться по той бік екрану.
Серед доступних нам поз щупальця немає повороту навколо його осі. Це зроблено спеціально, так як лялькарі минулого розглядали подібні рухи, як неприродні - наприклад, для котячих хвостів або слонячих хоботів. [1].
Щоб зрозуміти принцип роботи, побудуємо грубе щупальце з двох пластин і гнучкого сердечника. Ось креслення нашого зародка:
Надаючи обертання шківа, ми послаблюємо один трос і натягуємо на тій самій відстані інший. Укорочення довжини загинає щупальце в бік дроту. Оскільки троси передають тільки натяг, їх потрібно робити в парі з доповнюючими, щоб забезпечити рух по повній амплітуді в обидві сторони по одній з ступенів свободи. Тому нам доведеться працювати з 8 різними тросами.
Щупальце тримає форму через двох його особливостей. По-перше, канал троса [cable conduit] пручається стиску. По-друге, троси преднатянути і жорстко з'єднані зі шківом. Зміна довжини троса - єдиний спосіб переміщення хребця, а канал троса не змінює довжину. Тому фіксація шківа фіксує і щупальце.
Канал троса грає важливу роль в проекті. Без нього рух верхнього ступеня призводило б до паразитних рухам нижньої, а це нам не потрібно. Нам потрібно незалежно управляти обома ступенями.
Канал троса дозволяє перенаправляти додаток сил з одного кінця каналу на інший без появи паразитних впливів. Канал повинен залишатися гнучким, і при цьому чинити опір стисненню.
Цікаво, що при нашій схемі ми можемо взятися за будь-яку точку каналу троса і рухати її без опору, оскільки:
1. Канал гнучкий.
2. Його центральна частина, по якій йде трос, не змінює довжини.
Вигини каналу не змінюють його довжини, тому ми можемо його гнути як завгодно, а щупальце залишиться нерухомим. Удобненько!
Це дозволяє нам робити відразу дві речі: протягнути керуючі верхнім ступенем троси через нижній щабель, і контролювати верхню сходинку через нижню, при цьому не впливаючи на останню.
На зображенні видно, що керуючі 1-м ступенем троси проходять через 2-у сходинку.
основний матеріал
Плавні рухи вздовж усіх ступенів свободи досягаються будівництвом щупальця з матеріалів, що чинять опір обертанню навколо його осі. Більшість людей використовують троси для спідометрів від старих машин, що володіють саме такою властивістю. [1] Я теж в перший раз використовував такі троси. На жаль, їх діаметр тільки один: 0,125 дюйма, через що не можна зробити велику ляльку, яка згинається під власною вагою. Тепер я віддаю перевагу гнучкі вали від крутять інструментів. Але більшість зображень в цій статті зроблені з використанням тросів від спідометрів.
Кожен сегмент-хребець необхідно жорстко зафіксувати, щоб він не ковзав і не крутився. Вони повинні правильно направляти трос, і в потрібних місцях - канал троса, при цьому будучи жорстко з'єднаними з тросом спідометра. Лендон використовує для цього алюмінієві деталі, зроблені на верстаті з ЧПУ. Але я, покопавшись в магазинах, знайшов більш простий вихід з використанням готових компонентів. Сьогодні запчастини для роботів завдяки поширеності цього хобі вельми популярні, і я зміг зробити дзвінки зо універсальної втулки від Pololu [Pololu Universal Aluminum Mounting Hub] і пластини з полиформальдегида [derlin].
керуючий трос
Керуючий трос візьмемо такий же, як на велосипедах, але правда, тонший. Я успішно використовував два діаметра тросів - 1,2 мм і 0,8 мм. Можна використовувати дорогі троси, які при виготовленні обробляють так, що вони не лохматятся, або ж просто загострити до світіння обрізаний кінець троса. [3]
Канал троса
Для каналу варіантів багато - нейлонові трубки, обплетення від велосипеда, пружини. Нам потрібно лише, щоб канал пручався стиску і був гнучким. Опір стиску має забезпечувати «рівне і противонаправленность» зусилля для руху.
Гнучкість потрібна, щоб канал не заважав іншим секціях щупальця згинатися. Для одноступінчатих механізмів підійде будь-який з перерахованих варіантів. Для багатоступеневих гнучкість важливіше. Поки що з мого досвіду найкраще підійшли пружини, що працюють на розтяг, як найбільш гнучкі з усіх матеріалів.
У магазині McMaster-Carr можна купити що завгодно, якщо знати правильну назву. Наш канал для троса називається «continuous length extension spring» (9664K12) і коштує всього $ 4,40 за 36 дюймів. [300 руб / м]
Пружини діаметром трохи менше можна замовити у Dr. Templeman and Co. Вартість пружин буде побільше, але зате і асортимент багатша. Зовсім малі діаметри можна знайти у Molex.
У перший раз мені було досить важко уявити собі конструкцію цього елемента. Проте, зрозумівши розташування закінчень тросів, цю деталь сконструювати просто. Кожен трос, керуючий нижньою секцією, закінчується петлею. На тому ж хребці закінчуються і канали троса, що містять наступний набір керуючих тросів. Звідти триває наступний набір тросів.
Чи не могли б ми використовувати для хребців інший матеріал, наприклад, дерево - щоб заощадити на металевих втулках? Можливо, але такий дизайн зроблений не просто так, а з розрахунком.
По-перше, складність дизайну необхідно балансувати або готовими деталями, або доступним методом виготовлення (лазерний різак і 3D-принтер). Тому таку конструкцію можуть зробити навіть люди з нетиповими окоміром і спритністю.
По-друге, технологія виготовлення прототипів повинна бути детерміністській і повторюваною. Пристрій повинен вести себе однаково, будучи виготовленим в будь-якій частині світу. Не потрібно практикувати магію і молитися богам клею, стоячи на одній нозі, поки ваша епоксидка застигає при якомусь незвичному рівні вологості. Прості технології, провідні себе однаково скрізь і завжди.
Але шукайте альтернативи дизайну самі. Я допрацював контролер і щупальце, але це не означає, що робота завершена. До моменту завершення третьої частини статті в ваших руках буде вся розробка, і ви зможете робити з нею, що захочете.
[1] Stan Winston Cable Mechanism Basics
Докладний навчальний матеріал по створенню простих щупалець
[2] Animatronics Demo with Rick Lazzarini 1:21:01
Приклади використання тросів від спідометрів
Дивно, що до цих пір не придумали іскукственний варіант м'язових волокон. Невже немає ніяких молекулярних структур, які могли б під впливом напруги скорочуватися по одній з осей? Який би був прорив в роботобудуванні. Будь-самоделкин міг би зібрати таку руку і підключити її до raspberry pi. Та й взагалі в побуті можна було стільки всього зробити. Адаптивні крісла, підгін одягу під розмір, самозашнуровивающіеся кросівки.
Є подібне, але час відгуку, необхідна напруга, і інші чинники поки що не дозволяють активно використовувати.