BB-8 - очень любимый новый дроид, представленный в фильме 2016 года «Звездные войны: Пробуждение силы», хотя в моем случае с самого первого трейлера, выпущенного в 2014 году, он мне понравился из-за интересных инженерных задач, которые он ставил. Как бы вы сделали робота, который представляет собой катящийся мяч, но с головой, которая остается наверху, пока мяч катится под ним?
BB-8 в первом трейлере «Звездных войн: Пробуждение силы»
Хомяк в колесе хомяка
Чтобы заставить мяч катиться, ответ, который поначалу казался очевидным большинству людей, состоял в том, чтобы использовать аналогию с колесом хомяка. Хомяк, бегущий внутри, заставляет колесо вращаться. В строительном мире BB-8, который довольно велик, приводной механизм стал называться приводом хомяка или просто хомяком.
Магниты, удерживающие голову
Что касается головы, казалось очевидным, что внутри шара будут магниты, которые, возможно, удерживаются на месте в верхней части шара стойкой, выступающей из хомяка. Соответствующие притягивающие магниты затем будут прикреплены к нижней стороне головы, а шары (также установленные под головой) будут обеспечивать плавное движение головы над мячом.
Подход магнита к голове оказался методом, используемым всеми сборщиками BB-8, которых я видел. Однако хомяк оказался лишь одним из множества решений. С момента первоначального дебюта в сборках использовалось множество различных методов, и мы собираемся повеселиться, рассматривая каждый отдельный подход. Это почти как раскрытие фокуса; а на самом деле это все просто умная инженерия.
Обратите внимание, что для самого фильма использовалась комбинация из 7 или 8 реквизитов и компьютерной графики. Официально работающие BB-8, которые демонстрируются на различных рекламных мероприятиях, были построены после того, как был снят фильм, и на момент написания этой статьи было опубликовано несколько деталей их конструкции. Одна примечательная деталь, однако, заключается в том, что они не используют приводы для хомяков.
Ниже приведены сведения обо всех виденных мной различных приводных системах BB-8, которые были построены, а также о том, как они работают.
Axle Drive aka Pendulum Drive
При осевом приводе ось проходит горизонтально внутри шара посередине на полпути вверх. На одном или обоих концах оси находится двигатель, а к валу двигателя прикреплен шар.
Детали типа оси
Детали мостового типа крупным планом
Большая масса подвешена к середине оси и прикреплена к оси. Когда моторы поворачивают мяч, он вращается, как и ожидалось. Большая масса качается вперед в направлении движения мяча. Но вы, возможно, ожидали, что масса отклонится назад.
Тип моста, вид сбоку - стационарный
Вид сбоку с осью - подвижная
Если вы когда-нибудь держали мотор в руке, вращая что-то существенное или трудно вращающееся, вы помните, что мотор хотел вращаться в противоположном направлении. Это опасно, поэтому не делайте этого на самом деле, но представьте, что во время сверления отверстия в куске дерева вы блокируете двигатель во включенном положении и отпускаете сверло. Если древесина зажата и отверстие достаточно плотно, в результате сверло будет вращаться в противоположном направлении. То же самое происходит и здесь. Двигатель и масса вращаются в направлении, противоположном вращению шарика.
Тип оси со смещенным центром масс
Другой способ взглянуть на это, возможно, более правильный, заключается в том, что когда вы качаете массу вперед, это смещает центр масс вперед, и мяч вращается в этом направлении. По этой причине его также называют маятниковым приводом (PDF) (раздел 2.2.4). Маятник качается вперед, а шарик вращается в этом направлении.
Тип оси поворота
Если я правильно понял физику, чем больше масса маятника, тем меньше маятник должен качаться вперед. Это также чаще происходит во время ускорения.
Вращение не осуществляется двигателями на оси. Чтобы повернуть шар, к центру оси подвешивается груз. Для этой цели может служить упомянутая выше маятниковая масса. Затем двигатель раскачивает эту массу в любом направлении вдоль оси.
Покачивание массы в одну сторону заставляет мяч наклоняться в эту сторону, а затем мяч движется в направлении этой стороны. Посмотрите внимательно на приведенную выше иллюстрацию, и вы увидите, что ось и шар на самом деле наклонены, а маятник остается в горизонтальном положении из-за своей большей массы. Эта техника поворота означает, что мяч не может вращаться на месте, а должен двигаться либо вперед, либо назад (хотя назад и вперед теряется смысл с BB-8, поскольку голова может указывать в любом направлении).
Эд Зарикс BB-8 во время испытаний
Раскачивание вперед и назад можно свести к минимуму, снова используя массу маятника, приводимую в движение осевыми двигателями, для раскачивания маятника в направлении, противоположном раскачиванию. Для этого к устройству прикрепляется IMU (инерциальный измерительный блок). IMU - это микросхема на плате, которая знает свою ориентацию относительно Земли (например, коммутационная плата BNO055 от Adafruit). Что-то вроде Arduino берет эту информацию от IMU и использует ее для включения и выключения двигателей, чтобы двигать маятник и постепенно устранять колебание. Исходный код для этого называется контуром PID (Proportional Integral Derivative).
Боковое колебание может быть устранено аналогичным образом путем раскачивания массы вбок в противоположном направлении, хотя я еще не видел, чтобы это делалось ни в одном готовом осевом приводе BB-8. Либо с ней не обращались, либо масса внизу была достаточной, а наверху относительно небольшой, поэтому проблема была слишком незначительной, чтобы ее можно было заметить.
На данный момент я видел в сети три готовых осевых привода BB-8, и один из них с большим количеством деталей изготовления [Эда Зарика] показан на фотографии.
Хомяк Драйв
Хомяк, как правило, представляет собой двухколесное транспортное средство, которое находится внутри мяча, физически никак не прикрепленное к нему. Дополнительная поддержка обычно обеспечивается колесиками или свободно вращающимися шарами, выступающими вперед и назад, чтобы контактировать с мячом и помогать поддерживать устойчивость двухколесного хомяка. Перемещение осуществляется вращением обоих колес в одном направлении.
Обзор типа хомяка
Поворот типа хомяка
ВВ-8 Уэйна Ноймайера во время испытаний
Поворот осуществляется путем вращения колес в противоположных направлениях. Это означает, что каждое колесо имеет свой двигатель. Это называется дифференциальным приводом или приводом танка, поскольку именно так поворачиваются двухгусеничные танки.
Некоторые стабилизировали колебание вперед и назад, используя IMU для обнаружения качания и запуска двигателей вперед и назад в контуре PID. В нижней части хомяка не так много места для маятниковой массы, которую можно раскачивать для стабилизации. Однако, чем меньше фиксированная масса, тем она более стабильна.
Вы можете увидеть привод хомяка [Уэйна Ноймайера] BB-8, показанный на фотографии, во время финального тестирования перед покраской мяча. У него два колеса внизу.
Hubless Wheel Drive
Колесо без ступиц похоже на привод хомяка в том смысле, что внутри находится транспортное средство, независимое от шарика. Этот дизайн наиболее известен как тот, который [Джеймс Брутон] сделал для своего BB-8 версии 3. Отличие от хомяка в том, что с колесом без ступиц так называемое транспортное средство внутри ограничено гусеницей, которая является частью гусеницы. мяч. На рисунке ниже стороны мяча не показаны, хотя обычно они прикреплены к гусенице. Эта гусеница называется колесом без втулки, так как в ее центре нет втулки.
Запчасти типа Hubless
Имеется ведущее колесо, являющееся частью транспортного средства, которое давит на бесступичное колесо и заставляет его вращаться (см. иллюстрацию). Он служит той же цели, что и колеса у хомяка, за исключением того, что в данном случае их всего одно. Автомобиль ограничен гребнем по обеим сторонам колеса без втулки.
Одна из причин такой конструкции заключается в том, что та часть шара, которая представляет собой колесо без втулки, может быть выполнена без швов.
У обычного мяча есть шов в месте соединения двух полушарий мяча, который может мешать плавной работе автомобиля внутри. При бесступичном колесном приводе центральный ореол шара - путь, по которому движется транспортное средство, - может быть изготовлен как единое целое. Внутренняя поверхность, по которой должен двигаться автомобиль, гладкая. Конечно, при добавлении остальной части земного шара будут швы, но они не повлияют на работу бесступичного транспортного средства внутри.
Преимущество этого дизайна перед другими заключается в том, что две стороны шара могут иметь панели доступа, которые открываются так же, как BB-8 в фильме, хотя в фильме для этого использовался реквизит и компьютерная графика.
Точение типа Hubless
Поворот осуществляется так же, как и при осевом приводе. У автомобиля есть секция, которая свисает как маятник и может качаться в любую сторону. Показанная здесь масса маятника представляет собой тяжелый маховик (красный цвет). Затем двигатель может раскачивать эту массу в любую сторону, чтобы наклонить мяч. И, как и в случае с осевым приводом, наклон шара заставляет всего робота двигаться в направлении наклона.
Стабилизация выполняется с использованием комбинации методов, аналогичных приводу оси и хомяка. Для устойчивости вперед-назад транспортное средство на гусенице движется вперед-назад, компенсируя раскачивание. А для боковой устойчивости подвешенная масса перемещается из стороны в сторону, чтобы компенсировать это колебание.
Массивный маховик также может быстро вращаться вокруг своей оси, что заставляет остальную часть BB-8 вращаться в противоположном направлении, что позволяет ему поворачиваться на месте.
Маховик типа Hubless - крутится на месте
ВВ-8 Джеймса Брутона во время испытаний
На фото выше вы можете увидеть безступичное колесо BB-8 версии 3 [Джеймса Брутона] во время финальных испытаний перед нанесением всей косметики.
Полный привод
Всеколесный робот (не BB-8)
Всенаправленный привод похож на привод хомяка в том смысле, что транспортное средство движется внутри шара, но с той разницей, что транспортное средство может двигаться в любом направлении. Это делается с помощью трех или четырех омни-колес, каждое со своим мотором и ориентированным в своем направлении.
Я, возможно, пропустил это, но я еще не видел ни одной законченной полноприводной сборки BB-8. Я видел один омни-колесный привод (как тот, что показан на фото), который приводит в движение шар, но пока без головы. Я также видел один BB-8 с работающей головкой, в которой используются всенаправленные колеса, но, насколько я могу судить, они используются только как ведущие колеса для хомяков, хотя я, возможно, упустил некоторую тонкую разницу, связанную с использованием всенаправленных колес.
Другие?
Вот они, и для меня знание множества способов оживить BB-8 делает роботов еще более волшебными. Я не удивлюсь - на самом деле я буду рад, - если я что-то упустил. Дайте нам знать о любых других, с которыми вы столкнулись. Это очень сложные системы, и я также хотел бы услышать ваше мнение о тонкостях каждой из них. Оставляйте эти замечания и любые другие идеи BB-8 в комментариях ниже.