Как же нам не любить аниматронику? Отогните силиконовую кожу любой куклы, и вам откроется скопление мехатронной магии, дающей ей жизнь на большом экране. Я искал в интернете хорошие вводные материалы на эту тему, но нашёл лишь один – обучающие видео от Стэна Уинстона. Уже через 30 секунд я почувствовал, как щупальца пробуждают мои самые низменные позывы к постройке осязаемых вещей. Я запал, я просто обязан был построить одну такую штучку… или несколько. И вот, как можно создать вполне реальное аниматронное щупальце.



Начинающим на самом деле лучше начать погружение с обучалок от Стэна Уинстона. За два часа инструктор Ричард Лэндон описывает общую суть, набор необходимых компонентов и техники изготовления механизма щупальцев при помощи набора типичных инструментов – не говоря уже о кучке замечательных примеров из кино. [1]

Также мы получаем возможность заглянуть одним глазком в мир изготовления более сложных устройств на базе тех же принципов. Я бы хотел начать повествование с того момента, как он заканчивает – с двухступенчатых щупальцев, гнущихся на 4 стороны. Кроме того, я внесу одно изменение в дизайн щупалец от Лэндона. Оно позволит вам построить собственное щупальце и контролер всего лишь из нескольких готовых компонентов, полиформальдегида [derlin] и лазерного резака… Ладно, и ещё из парочки частей, напечатанных на 3D-принтере.



Как работают двухступенчатые щупальца


hackadaycom.files.wordpress.com/2016/08/tentacle_arc_aproximation.png
Обе ступени щупальца, у каждой из которых есть две степени свободы

У щупальца есть две ступени, у каждой из которых есть две степени свободы. Они позволяют каждой ступени изгибаться в двух перпендикулярных направлениях. Комбинируя эти степени свободы, в сумме мы получаем четыре, позволяющие нам эмулировать вполне правдоподобные органические движения. На анимации, присмотревшись, можно увидеть место соединения двух ступеней – примерно посередине щупальца.

При хорошей сборке мы можем контролировать обе части независимо друг от друга. В идеале. В реальности нет ничего идеального, и у наших материалов есть свои ограничения. Нам необходимо будет поиграть натяжением и межпозвоночным расстоянием, пока мы не достигнем удовлетворительных результатов.



В идеале, потянув за трос любой из ступеней, мы добьемся идеальной дуги, уменьшающейся в диаметре при увеличении натяжения. Но из-за потерь на трение в каждом из позвонков мы не сможем достичь идеальной дуги, хотя результат будет достаточно неплохим для того, чтобы обмануть людей, находящихся по ту сторону экрана.

Среди доступных нам поз щупальца нет поворота вокруг его оси. Это сделано специально, так как кукольники прошлого рассматривали подобные движения, как неестественные – например, для кошачьих хвостов или слоновьих хоботов. [1].

Набросок щупальца


Чтобы понять принцип работы, построим грубое щупальце из двух пластин и гибкого сердечника. Вот чертёж нашего зародыша:



Придавая вращение шкиву, мы ослабляем один трос и натягиваем на то же расстояние другой. Укорачивание длины загибает щупальце в сторону провода. Поскольку тросы передают только натяжение, их нужно делать в паре с дополняющими, чтобы обеспечить движение по полной амплитуде в обе стороны по одной из степеней свободы. Поэтому нам придётся работать с 8 различными тросами.

Щупальце держит форму из-за двух его особенностей. Во-первых, канал троса [cable conduit] сопротивляется сжатию. Во-вторых, тросы преднатянуты и жёстко соединены со шкивом. Изменение длины троса – единственный способ перемещения позвонка, а канал троса не меняет длину. Поэтому фиксация шкива фиксирует и щупальце.

Роль канала троса


Канал троса играет важную роль в проекте. Без него движение верхней ступени приводило бы к паразитным движениям нижней, а это нам не нужно. Нам нужно независимо управлять обеими ступенями.

Канал троса позволяет перенаправлять приложение сил с одного конца канала на другой без появления паразитных воздействий. Канал должен оставаться гибким, и при этом сопротивляться сжатию.

Интересно, что при нашей схеме мы можем взяться за любую точку канала троса и двигать её без сопротивления, поскольку:
1. Канал гибкий.
2. Его центральная часть, по которой идёт трос, не меняет длины.

Изгибы канала не меняют его длины, поэтому мы можем его гнуть как угодно, а щупальце останется неподвижным. Удобненько!

Это позволяет нам делать сразу две вещи: протянуть управляющие верхней ступенью тросы через нижнюю ступень, и контролировать верхнюю ступень через нижнюю, при этом не влияя на последнюю.



На изображении видно, что управляющие 1-й ступенью тросы проходят через 2-ю ступень.

Запчасти


Основной материал




Плавные движения вдоль всех степеней свободы достигаются постройкой щупальца из материалов, сопротивляющихся вращению вокруг его оси. Большинство людей используют тросики для спидометров от старых машин, обладающих именно таким свойством. [1] Я тоже в первый раз использовал такие тросы. К сожалению, их диаметр только один: 0,125 дюйма, из-за чего нельзя сделать большую куклу, которая не изгибается под собственным весом. Теперь я предпочитаю гибкие валы от крутящих инструментов. Но большинство изображений в этой статье сделаны с использованием тросиков от спидометров.

Сегменты




Каждый сегмент-позвонок необходимо жёстко зафиксировать, дабы он не скользил и не вертелся. Они должны правильно направлять трос, и в нужных местах – канал троса, при этом будучи жёстко соединёнными с тросиком спидометра. Лэндон использует для этого алюминиевые детали, сделанные на станке с ЧПУ. Но я, покопавшись в магазинах, нашёл более простой выход с использованием готовых компонентов. Сегодня запчасти для роботов благодаря распространённости этого хобби весьма популярны, и я смог сделать позвонки из универсальной втулки от Pololu [Pololu Universal Aluminum Mounting Hub] и пластины из полиформальдегида [derlin].

Управляющий трос




Управляющий трос возьмём такой же, как на велосипедах, но правда, потоньше. Я успешно использовал два диаметра тросов – 1,2 мм и 0,8 мм. Можно использовать дорогие тросы, которые при изготовлении обрабатывают так, что они не лохматятся, или же просто накалить до свечения обрезанный конец троса. [3]

Канал троса


Для канала вариантов много – нейлоновые трубки, оплётка от велосипеда, пружины. Нам нужно лишь, чтобы канал сопротивлялся сжатию и был гибким. Сопротивление сжатию должно обеспечивать «равное и противонаправленное» усилие для движения.



Гибкость нужна, чтобы канал не мешал другим секциям щупальца сгибаться. Для одноступенчатых механизмов подойдёт любой из перечисленных вариантов. Для многоступенчатых гибкость важнее. Пока что по моему опыту лучше всего подошли пружины, работающие на растяжение, как наиболее гибкие из всех материалов.

В магазине McMaster-Carr можно купить что угодно, если знать правильное название. Наш канал для троса называется «continuous length extension spring» (9664K12) и стоит всего $4,40 за 36 дюймов. [300 руб/м]

Пружины диаметром поменьше можно заказать у Dr. Templeman and Co. Стоимость пружин будет побольше, но зато и ассортимент побогаче. Совсем малые диаметры можно найти у Molex.

Точка сгиба




В первый раз мне было довольно трудно представить себе конструкцию этого элемента. Тем не менее, поняв расположение окончаний тросов, эту деталь сконструировать просто. Каждый трос, управляющий нижней секцией, оканчивается петлёй. На том же позвонке оканчиваются и каналы троса, содержащие следующий набор управляющих тросов. Оттуда продолжается следующий набор тросов.

Альтернативные конструкции


Не могли бы мы использовать для позвонков другой материал, например, дерево – чтобы сэкономить на металлических втулках? Возможно, но такой дизайн сделан не просто так, а с расчётом.

Во-первых, сложность дизайна необходимо балансировать либо готовыми деталями, либо доступным методом изготовления (лазерный резак и 3D-принтер). Поэтому такую конструкцию могут сделать даже люди с нетипичными глазомером и ловкостью.

Во-вторых, технология изготовления прототипов должна быть детерминистской и повторяемой. Устройство должно вести себя одинаково, будучи изготовленным в любой части света. Не нужно практиковать магию и молиться богам клея, стоя на одной ноге, пока ваша эпоксидка застывает при каком-нибудь необычном уровне влажности. Простые технологии, ведущие себя одинаково везде и всегда.

Но ищите альтернативы дизайна сами. Я доработал контроллер и щупальце, но это не значит, что работа завершена. К моменту завершения третьей части статьи в ваших руках будет вся разработка, и вы сможете делать с ней, что захотите.

Часть 2

Ссылки


[1] Stan Winston Cable Mechanism Basics
Подробный обучающий материал по созданию простых щупалец

[2] Animatronics Demo with Rick Lazzarini 1:21:01
Примеры использования тросиков от спидометров

[3] CS235: Applied Robot Design, Lecture 7-Introduction to Cable Transmissions
Введение по использованию тросов в роботостроении
Поделиться с друзьями
-->

Комментарии (30)


  1. aydahar
    11.10.2016 19:21
    +2

    Зашёл, чтобы посмотреть тэги к статье. Да! (или лучше «ня!» ?)


  1. Arxitektor
    11.10.2016 19:42

    Вот интересно а только на русском слово щупальцев довольно точно объясняет что делает эта штука (Щупает )) )?
    И как оно будет в переводе на английский?


    1. ApplejackApple
      11.10.2016 20:06

      Tentacles.


    1. gsaw
      11.10.2016 20:10
      +1

      tentacle (n.) ?
      1762, from Modern Latin tentaculum, literally «feeler,» from Latin tentare «to feel, try» + -culum, diminutive suffix (see -cule). Related: Tentacular.

      Так что да, почти тоже самое.


    1. NikitaE
      11.10.2016 21:04

      меня больше занимает, как оно называется по-японски. И связано ли это с тем, что оно (с японцами) делает


      1. DaveDee
        11.10.2016 21:15
        +1

        ?? — читается как шё-ку-шю
        Дословно — трогающая рука.


        1. NikitaE
          11.10.2016 22:37

          Спасибо. Короче, плюс-минус то же «щупальце»


  1. radiolok
    11.10.2016 21:20

    Как-то дороговато выглядят алюминиевые вставки от Polou за 7 баксов штука на фоне 17 баксов за 4 тросика…
    Вытачивание подобного подешевле выйти должно. Тем более имеет смысл их выточить из капролона — и конструкция легче будет и скольжение тросиков.


  1. Kameleon3107
    11.10.2016 22:03
    +2

    Всегда мечтал иметь дома свои собственные тентакли.


  1. ipswitch
    11.10.2016 22:42
    +3

    Статья очень интересная.
    Похоже на ошибку перевода — под словом «кабель» (cable) тут всё же подразумевается трос.


  1. Dr-Good
    11.10.2016 22:50
    +2

    отличный способ провести вечер в семейном кругу — «А давайте делать шупальцы!!!»:)


  1. Arcanum7
    12.10.2016 00:13

    А если снабдить тензодатчиками для обратной связи? И датчиками касания… Хороший манипулятор для универсального работа должен получится, однако.


    1. paulsv77
      12.10.2016 07:30
      +8

      Можно сделать Бендера.


      1. Voffko
        12.10.2016 13:19

        я думал про Отто Октавиуса.


  1. Konachan700
    12.10.2016 11:08
    +1

    А как оболочка для троса называется на английском? Никак не могу найти ее на али…


    1. TheRaven
      12.10.2016 13:36

      Что-нибудь вроде spring cable conduit


    1. SLY_G
      12.10.2016 23:21
      +1

      В оригинале cable conduit


  1. Boomburum
    12.10.2016 11:13
    +3

    Когда-то я давно увидел статью типа «10 факторов, которые влияют на стоимость острова» — там было про всякие наводнения, удалённость от цивилизации итд. И там был камент «спасибо, очень полезная статья, пригодится при выборе острова». Так и тут — спасибо за статью, пригодится, если понадобится сделать щупальца в домашних условиях )


    1. SLY_G
      12.10.2016 23:22
      +1

      Ну не знаю, мне прям захотелось. Оно клёвое.


  1. gsaw
    12.10.2016 12:34

    Странно, что до сих пор не придумали искукственный вариант мышечных волокон. Неужели нет никаких молекулярных структур, которые могли бы под воздействием напряжения сокращаться по одной из осей? Какой бы был прорыв в роботостроении. Любой самоделкин мог бы собрать такую руку и подключить ее к raspberry pi. Да и вообще в быту можно было столько всего сделать. Адаптивные кресла, подгон одежды под размер, самозашнуровывающиеся кроссовки.


    1. Slavik_Kenny
      12.10.2016 15:15

      Есть подобное, но время отклика, требуемое напряжение, и другие факторы пока еще не позволяют активно использовать.

      Погугли Muscle Wire, на тытрубе есть ролики с использованием оных.
      Стоят не много, я взял себе поиграться попробовать :)
      https://www.sparkfun.com/products/11900


  1. Murmurianez
    12.10.2016 20:28

    Доску для Зелёного гоблина сделали, щупальца для Октавиуса тоже. Главное чтоб релиз Человека-паука вовремя вышел чтоб нас защищать


  1. denis64
    12.10.2016 23:22
    +1

    В качестве каналов для троса можно использовать каналы для сварочной проволоки полуавтоматов. Цена около 400 рублей за 5 метров.


  1. technomancer
    12.10.2016 23:23

    Уважаемый автор, пробовали ли Вы конструкцию под нагрузкой?
    Остается у тентакля такой длины возможность удерживать сто-двести грамм?


    1. SLY_G
      12.10.2016 23:23
      +1

      Разговор с переводом.
      image


  1. Doverchiviy_kot
    12.10.2016 23:24
    +2

    Почему то заголовок статьи упорно намекает на домашний хентай с тентаклями.


    1. SLY_G
      12.10.2016 23:24

      Тут каждый о своём думает.


    1. TheRaven
      13.10.2016 10:36

      В силикон его залить и вперед на поиски неизведанного.


  1. Konachan700
    13.10.2016 11:21

    Отличная идея, можно же робота-змею сделать. Осталось придумать, куда в ней убрать батарею…


    1. dimm_ddr
      14.10.2016 14:59

      В пасть. С возможностью подрыва при укусе.