Руководство по созданию механических щупальцев в домашних условиях: часть 2, управление тросами

В прошлой статье ^[1] мы познакомились с двухступенчатым механизмом для щупалец. Сегодня мы поближе рассмотрим один из множества методов ручного управления этими зверюгами. И что самое классное, этот метод доступен для воспроизведения в домашних условиях!

Без системы управления наше домашнее щупальце может только болтаться в разные стороны, как переваренная макаронина. Она бесполезна без механизма управления, который придавал бы всем тросам соответствующее натяжение. Поскольку движением щупальца управляют только четыре пары кабелей, несложно прикинуть в уме систему из моторчиков для управления ими. Но для начала я решил остановиться на ручном управлении, как это принято в киноиндустрии.

Знакомство с ручным управлением

Ручное управление? Из всех возможностей электроники мы зачем-то выбираем этот лишённый электроники пещерный подход? Не беспокойтесь. Ручное управление предоставляет уникальные возможности, которые с его альтернативами не так уж легко получить.

Во-первых, такое управление будет чисто механическим. Это значит, с точки зрения запчастей оно простое. Нет источника питания или ошибок в коде. Как только мы правильно присоединим все тросы и разберёмся с возможными проблемами, контроллеры просто будут работать.

Во-вторых, в отличие от сервопривода, эти контроллеры работают бесшумно. Никакого чириканья дешёвых сервоприводов. Если у вас не хрустят локти и запястья, звук при движении щупалец минимален. Для увлечённых режиссёров тихий реквизит может стать более привлекательным, чем электронная альтернатива – даже если они потом смогут убрать звук при обработке.

В-третьих, ручное управление даёт нам обратную связь. Если щупальце натыкается на препятствие, электронное управление без датчика нажатия не узнает об этом. Поскольку руки сжимают контроллеры, прикреплённые к кабелям, передающим натяжение по всей длине щупальца, мы непосредственно воспринимаем силы, воспринимаемые щупальцем. Мы можем их чувствовать, и мы чувствуем препятствие.

Наконец, профессионалы до сих пор используют ручные контроллеры как один из вариантов управления. И хотя мы не делаем наши контроллеры из алюминиевого сплава 6061, как профессионалы, наша пластиковая альтернатива не слишком отличается от проверенных схем прошлого.

Обратное действие

Я упомянул, что обратная связь проистекает из крепления тросов к щупальцу. Чтобы продемонстрировать это наглядно, можно показать такую забавную вещь, как обратное действие. Можно непосредственно двигать щупальцем, и эти действия будут передаваться через кабели на контроллеры.

Вдохновение для контроллеров

Контроллер предполагается делать при помощи лазерного резака (хотя в нём есть и одна часть из 3D-принтера). Дизайн – адаптация контроллеров, виденных мною в роликах мастеров спецэффектов.

Большинство виденных мною контроллеров разделяют степени свободы по двум разным осям, а не интегрируют их в один. Думаю, что это из-за простоты изготовления, а также из-за свободы последующего управления щупальцем.

Я сделал свой контроллер по мотивам обучающих материалов Stan Winston Tutorial. И хотя по типу они похожи, по форме и ощущениям мой контроллер отличается, так как изготавливать его предполагается при помощи лазерного резака.

Вариант с лазерным резаком был выбран потому, что не у многих есть доступ к станкам с ЧПУ. Лазерные резаки встречаются в школах и мастерских (хакерспейсах).

Самое крупное изменение оригинального дизайна – смена контроллеров местами. Движение рычага, контролирующего «тангаж» щупальца к самому низу требует использования всей руки сразу. А то же движение контроллера Лэндона основывается в основном на движениях запястий. Смена контроллеров позволила разгрузить запястья, и я надеюсь, что другим она тоже понравится.

Конструкция контроллеров

Как и щупальце, контроллер состоит из множества разных частей, которые мы пока не упоминали. Вот основные его части и компоненты.

Уголки 612 и 621

Мало какие готовые запчасти нравятся мне больше, чем эти уголки: 612K-ND ^[2] и 621K-ND ^[3]. Я не находил другого готового уголка настолько же маленьких размеров. Более того, они обладают резьбой 4-40, благодаря чему идеальны для прикручивания в такие места, в которых есть мало свободного места.

Но нет ничего идеального – и углы этих уголков не всегда строго перпендикулярны. Но в данном случае это неважно – ими я соединяю два перпендикулярных шкива на контроллере. Они держатся при помощи двух пластиковых пластин, а уголки лишь скрепляют их.

Шкивы с заклёпками

Шкивы состоят из четырёх пластин. Будучи склёпанными вместе (ацеталь клеится очень плохо ^[4]), они работают как одно целое.

Нетренированному глазу эта деталь может показаться готовой. Но два важных свойства делают изготовление этой детали более выгодным, чем приспособление любой готовой. Во-первых, каждый шкив натягивает и ослабляет тросы, ответственные за движение. А значит, эти тросы должны быть крепко присоединены в шкиву. Для этого я приспособил два зажима наверху шкива. Во-вторых, шкив нужно соединять либо с рукояткой, если он используется вверху, либо с другим шкивом, если он внизу.

В обоих случаях точки соединения находятся не в центре, и у большинства готовых шкивов нет таких крепёжных отверстий. В CAD-проекте я включил эти отверстия в пластины. В результате после лазерной резки получается деталь с готовыми крепёжными отверстиями. А поскольку шаблон для них одинаковый как для рукоятки, так и для совместного соединения шкивов, верхние и нижние шкивы идентичны.

Заклёпки

Шкивы рождаются в виде четырёх пластин, но после сборки их разбирать не нужно. Поэтому я выбрал заклёпки. Они придают детали законченный вид, не говоря уже о приятных моментах с расплющиванием заклёпок при сборке. А вставлять заклёпку легче, чем нарезать везде резьбу и вкручивать винты.

Зажимы для тросов

В мире быстро изготавливаемых в домашних условиях прототипов мы обычно ограничены мягкими или хрупкими материалами, поскольку большинство деталей выходят из 3D-принтера или лазерного резака. Кроме того, у ацеталя есть ещё проблема – он очень скользкий, поэтому зажим не может просто прижимать трос к пластине. В таких случаях нужно передать критические функции готовым деталям. У нас зажимы сделаны из двух стальных уголков. Трос зажимается между ними и закручивается так, что сталь давит на сталь.

Окончание канала троса при помощи муфты и 3D-принтера

Каждый из каналов должен заканчиваться на определённой точке контроллера так, чтобы трос мог идти дальше и зажиматься в шкиве. Когда шкив натягивает провод, канал не двигается. Движения контроллера меняют длину троса от зажима до конца канала.

Для этого я изготовил на 3D-принтере блок с вделанной в него муфтой. Эти металлические муфты можно найти в велосипедных и мотоциклетных магазинах, и они предохранят распечатанную деталь от износа. Как и зажимы троса, сделанные из металлических уголков, эти муфты снимут нагрузку с изготовленных нами деталей.

Точки крепления

Нельзя предсказать ширину плеч всех людей, поэтому я добавил крепёжные уголки для скоб от Makerslide. Таким образом каждый сможет отрезать направляющие нужной длины и закрепить контроллеры так, чтобы ими было удобно управлять.

Продолжение следует

Я поддерживаю фото-лог ^[5] и CAD-модель ^[6] в актуальном состоянии, и в следующий раз мы остановимся на сборке контроллеров и щупалец.

Автор: SLY_G

Источник ^[7]