Budowa prostych robotów. Niezwykłe projekty ze zwykłych - Abc-rc

Transkrypt

Tytuł oryginału: Making Simple Robots
Tłumaczenie: Konrad Matuk
ISBN: 978-83-283-0507-6
© 2015 Helion S.A.
Authorized Polish translation of the English edition of Making Simple Robots, ISBN 9781457183638 © 2015
Kathy Ceceri, published by Maker Media Inc.
This translation is published and sold by permission of O’Reilly Media, Inc.,
which owns or controls all rights to publish and sell the same.
All rights reserved. No part of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means,
electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage retrieval system,
without permission from the Publisher.
Wszelkie prawa zastrzeżone. Nieautoryzowane rozpowszechnianie całości lub fragmentu niniejszej
publikacji w jakiejkolwiek postaci jest zabronione. Wykonywanie kopii metodą kserograficzną,
fotograficzną, a także kopiowanie książki na nośniku filmowym, magnetycznym lub innym powoduje
naruszenie praw autorskich niniejszej publikacji.
Wszystkie znaki występujące w tekście są zastrzeżonymi znakami firmowymi bądź towarowymi ich
właścicieli.
Autor oraz Wydawnictwo HELION dołożyli wszelkich starań, by zawarte w tej książce informacje były
kompletne i rzetelne. Nie biorą jednak żadnej odpowiedzialności ani za ich wykorzystanie, ani za związane
z tym ewentualne naruszenie praw patentowych lub autorskich. Autor oraz Wydawnictwo HELION nie
ponoszą również żadnej odpowiedzialności za ewentualne szkody wynikłe z wykorzystania informacji
zawartych w książce.
Wydawnictwo HELION
ul. Kościuszki 1c, 44-100 GLIWICE
tel. 32 231 22 19, 32 230 98 63
e-mail: [email protected]
WWW: http://helion.pl (księgarnia internetowa, katalog książek)
Drogi Czytelniku!
Jeżeli chcesz ocenić tę książkę, zajrzyj pod adres
http://helion.pl/user/opinie/bupror
Możesz tam wpisać swoje uwagi, spostrzeżenia, recenzję.
Printed in Poland.
• Kup książkę
• Poleć książkę
• Oceń książkę
• Księgarnia internetowa
• Lubię to! » Nasza społeczność
Spis treĂci
Przedmowa .............................................................................................................................. 7
WstÚp ..................................................................................................................................... 13
1. Roboty zbudowane z interesujÈcych materiaïów ........................................................... 19
Projekt: poruszajÈcy siÚ papier ...........................................................................................................21
Do czego to sïuĝy? ......................................................................................................................21
SkÈd siÚ to wziÚïo? ......................................................................................................................22
Jak to dziaïa? ..............................................................................................................................24
Wykonanie projektu .....................................................................................................................26
Projekt: zbuduj pompowanego robota ................................................................................................40
Do czego to sïuĝy? ......................................................................................................................40
Jak to dziaïa? ..............................................................................................................................42
2. Roboty, które siÚ poruszajÈ ............................................................................................. 49
Projekt: wykonaj robota wyposaĝonego w napÚd naprÚĝeniowo-integralny (tensegrity) ......................51
Do czego to sïuĝy? ......................................................................................................................51
Jak to dziaïa? ..............................................................................................................................53
Projekt: wykonaj hybrydÚ kóï i nóg .....................................................................................................62
Do czego to sïuĝy? ......................................................................................................................62
3
Kup książkę
Poleć książkę
Jak to dziaïa? ..............................................................................................................................63
Jak dziaïa drukarka 3D? ...............................................................................................................64
3. Roboty, które nie poddaïy siÚ ewolucji ........................................................................... 83
Projekt: budowa chmary ĂlizgajÈcych siÚ robotów wibracyjnych ........................................................86
Czym jest robot wibracyjny? .......................................................................................................86
Do czego to sïuĝy? ......................................................................................................................86
Jak to dziaïa? ..............................................................................................................................87
Projekt: budowa robota BEAM zasilanego energiÈ sïonecznÈ, poruszajÈcego siÚ dziÚki drganiom .......92
Czym jest robot BEAM? ...............................................................................................................92
Do czego to sïuĝy? ......................................................................................................................92
Jak to dziaïa? ..............................................................................................................................94
4. Roboty — pomocnicy i przyjaciele ................................................................................ 115
Projekt: napisz program bÚdÈcy chatbotem ......................................................................................117
Czym jest chatbot? ....................................................................................................................117
Do czego to sïuĝy? ....................................................................................................................117
SkÈd siÚ to wziÚïo? ....................................................................................................................117
Jak to dziaïa? ............................................................................................................................118
Wykonanie projektu ...................................................................................................................120
Projekt: Twoja podobizna w dolinie niesamowitoĂci .........................................................................133
Czym jest dolina niesamowitoĂci? .............................................................................................133
Do czego to sïuĝy? ....................................................................................................................133
Jak to dziaïa? ............................................................................................................................135
5. Roboty — zabawa i sztuka ............................................................................................ 145
Projekt: zbuduj plotera opartego na projekcie firmy littleBits .............................................................146
Czym jest ploter? ......................................................................................................................146
Do czego to sïuĝy? ....................................................................................................................147
Jak to dziaïa? ............................................................................................................................149
4
Kup książkę
Spis treĂci
Poleć książkę
Projekt: zbuduj FiberBota — robota wykonanego z e-tekstyliów, sterowanego za pomocÈ Arduino .... 161
Czym sÈ e-tekstylia? .................................................................................................................161
Do czego to sïuĝy? ....................................................................................................................162
Jak to dziaïa? ............................................................................................................................163
Posïowie. Czego nauczyïam siÚ podczas pracy nad tÈ ksiÈĝkÈ? ........................................ 197
Skorowidz ............................................................................................................................ 201
Spis treĂci
Kup książkę
5
Poleć książkę
6
Kup książkę
Spis treĂci
Poleć książkę
Roboty zbudowane
z interesujÈcych
materiaïów
1
Pracujemy nad geometriÈ, algorytmami i procesami produkcyjnymi nowatorskich materiaïów, które majÈ
byÊ przeprogramowywane, materiaïów o szerokim spektrum zastosowañ, które majÈ wypeïniaÊ granice
pomiÚdzy inĝynieriÈ materiaïowÈ, informatykÈ, biologiÈ i matematykÈ.
— Otherlab
Jak myĂlisz, z jakich materiaïów wykonuje siÚ roboty? Konstrukcje wystÚpujÈce w klasycznych filmach
i ksiÈĝkach z gatunku fantastyki naukowej sÈ prawie zawsze wykonane z metalu. Roboty domowego uĝytku
i roboty bÚdÈce zabawkami sÈ prawie zawsze wykonane z grubego plastiku. Naukowcy pracujÈcy nad robotami w laboratoriach na caïym Ăwiecie analizujÈ zastosowanie wszelkich moĝliwych materiaïów. Dzisiejsze
supernowoczesne materiaïy i procesy produkcyjne otwierajÈ wiele nowych moĝliwoĂci przed konstruktorami
robotów. Naukowcy starajÈ siÚ zastÈpiÊ ciÚĝkie, sztywne korpusy cienkimi, giÚtkimi powïokami, dziÚki którym
konstrukcje robotów bÚdÈ na tyle elastyczne, ĝe roboty bÚdÈ giÚtkie i gibkie. Jednym z celów konstruktorów
jest tworzenie robotów, które naĂladujÈ organizmy wystÚpujÈce w naturze. Roboty tego typu poruszajÈ siÚ
tak, jakby byïy ĝywymi stworzeniami, a ponadto nie wymagajÈ tworzenia dla nich skomplikowanych programów ani nie pobierajÈ duĝej iloĂci prÈdu. Ponadto zwykle sÈ one bardziej „ulegïe” od standardowych robotów — po uderzeniu w czïowieka lub przeszkodÚ stojÈcÈ na ich drodze cofajÈ siÚ, nie próbujÈ pokonaÊ
przeszkody na siïÚ.
Jeszcze bardziej ekscytujÈcÈ wizjÈ wydaje siÚ „inteligentny korpus” — molekularna konstrukcja sterujÈca
pracÈ robota. Korpus taki moĝna zbudowaÊ z programowalnych materiaïów, takich jak polimery i stopy
charakteryzujÈce siÚ pamiÚciÈ ksztaïtu. Materiaïy te mogÈ zostaÊ przystosowane do zmiany swojego fizycznego ksztaïtu i rozmiaru pod wpïywem zewnÚtrznych boděców, takich jak Ăwiatïo lub ciepïo. Na przykïad
drut wykonany ze stopu z pamiÚciÈ po wïoĝeniu do szklanki z gorÈcÈ wodÈ moĝe samoczynnie wygiÈÊ
siÚ i przyjÈÊ ksztaït sprÚĝyny.
Niektórzy naukowcy pracujÈ nad inteligentnymi korpusami zbudowanymi z materiaïu, z którego wykonywane
sÈ zabawki dla dzieci takie jak na przykïad Shrinky Dinks (arkusze wykonane z plastycznego materiaïu, który
po wïoĝeniu do piekarnika kurczy siÚ i utwardza, zachowujÈc ksztaït). Materiaï ten po podgrzaniu zmniejsza
19
Kup książkę
Poleć książkę
swoje wymiary do okoïo 60% poczÈtkowej wielkoĂci. Dzieci malujÈ ten materiaï, a majsterkowicze mogÈ
wydrukowaÊ na nim róĝne wzory i wykonaÊ kolorowe wisiorki. Naukowcy z Uniwersytetu Stanowego Karoliny
Póïnocnej nadrukowali na tym materiale czarne linie i naĂwietlili go Ăwiatïem podczerwonym, które ma wïaĂciwoĂci rozgrzewajÈce (zobacz rysunek 1.1). Czarny kolor absorbuje wiÚcej energii Ăwiatïa od jasnych
kolorów, a wiÚc po krótkim naĂwietleniu materiaïu czarne linie zostaïy rozgrzane, a obszar niepokolorowany
na czarno pozostaï zimny — arkusz materiaïu wygiÈï siÚ. W ten sposób otrzymano arkusz plastiku, który
samoczynnie skïada siÚ w trójwymiarowy szeĂcian.
Rysunek 1.1. Arkusz aktywowanego ciepïem samoczynnie skïadajÈcego siÚ plastiku
Autorzy: Ying Liu i Jacob Thelen, Uniwersytet Stanowy Karoliny Póïnocnej
Co prawda wspomniany wczeĂniej materiaï po zmianie ksztaïtu nie moĝe samoczynnie wróciÊ do swojej
pierwotnej formy, ale istniejÈ inne materiaïy, które charakteryzuje taka moĝliwoĂÊ. Naukowcy stosujÈ tego
typu wyginajÈce siÚ materiaïy do tworzenia sztucznych miÚĂni, które moĝna okreĂliÊ mianem siïowników
20
Kup książkę
Budowa prostych robotów
Poleć książkę
napÚdzajÈcych roboty. W 2009 roku Ray Baughman pracownik University of Texas w Dallas pokazaï Ăwiatu
sztuczne miÚĂnie wykonane z polimeru z pamiÚciÈ ksztaïtu — karbonowych nanorurek. Atomy karbonowych
nanorurek tworzÈ ksztaït plastra miodu bÚdÈcego kopuïÈ geodezyjnÈ. Materiaï ten przy próbie odginania
w jednym kierunku jest twardy jak stal, ale przy próbie odginania w kierunku przeciwnym okazuje siÚ byÊ
bardzo plastyczny. Materiaï moĝe byÊ uĝytkowany w ekstremalnych temperaturach, a wiÚc doskonale nadaje
siÚ do stosowania podczas misji kosmicznych. Zespóï kierowany przez Baughmana poczÈtkowo stosowaï
ten materiaï w formie aeroĝelu, okreĂlanego czasem mianem „zamarzniÚtego dymu”. Aeroĝel jest ciaïem
staïym tak lekkim, ĝe majÈcym niemalĝe takÈ samÈ gÚstoĂÊ jak powietrze. Karbonowe nanorurki pod wpïywem
prÈdu elektrycznego wydïuĝajÈ siÚ 10 razy bardziej i 1000 razy szybciej niĝ naturalne wïókna miÚĂniowe.
Baughman opracowaï ostatnio pasma nanorurek wypeïnionych woskiem, które rozszerzaïy siÚ, gdy wosk
topniaï pod wpïywem wysokiej temperatury. Z czasem projekt ten moĝe ewoluowaÊ i doprowadziÊ do stworzenia inteligentnego materiaïu, który bÚdzie zmieniaï ksztaït pod wpïywem zmiany temperatury.
Przewód zmieniajÈcy ksztaït wykonany z nitinolu (metalicznego stopu niklu i tytanu) jest uĝywany w roli siïownika poruszajÈcego bardzo maïymi i bardzo giÚtkimi konstrukcjami robotów. W 2012 roku Octopus Project
zaprezentowaï film pokazujÈcy pracÚ podwodnego robota, który peïzaï na koñczynach napÚdzanych za pomocÈ
materiaïu zmieniajÈcego swój ksztaït. Naukowcy z Virginia Tech pracujÈ nad Robojelly — robotem majÈcym
ksztaït meduzy, który porusza siÚ pomocÈ macek napÚdzanych siïÈ generowanÈ przez materiaï z pamiÚciÈ
ksztaïtu. Robojelly umoĝliwia naukowcom badania nad meduzami bez koniecznoĂci dbania o ĝywÈ meduzÚ.
ByÊ moĝe w przyszïoĂci materiaïy z pamiÚciÈ ksztaïtu pozwolÈ na konstrukcjÚ napÚdu ïodzi podwodnych.
Naukowcy poza opracowywaniem nowych materiaïów szukajÈ równieĝ inspiracji w przeszïoĂci — prowadzÈ
badania nad prostymi materiaïami takimi jak guma i papier. SÈ one lekkie i sprÚĝyste, a wiÚc moĝna je z ïatwoĂciÈ sproszkowaÊ. SÈ teĝ tanie i ïatwo dostÚpne, a wiÚc doskonale nadajÈ siÚ do prac projektowych. Niektórzy naukowcy uwaĝajÈ, iĝ materiaïy te sÈ tak tanie, ĝe byÊ moĝe w przyszïoĂci zostanÈ opracowane jednorazowe roboty, które bÚdÈ wykonywaïy pewne badania lub czynnoĂci, a nastÚpnie bÚdÈ mogïy byÊ porzucone —
nie trzeba bÚdzie siÚ martwiÊ o ich powrót do punktu wyjĂciowego.
Projekty przedstawione w tym rozdziale pozwolÈ Ci rozpoczÈÊ przygodÚ z budowÈ prostych robotów —
zaczniemy od zabawy z interesujÈcymi materiaïami, które sÈ uĝywane do konstrukcji wspóïczesnych, nowoczesnych robotów: drutu wykonanego ze stopu z pamiÚciÈ ksztaïtu, papieru i gumy. W zasadzie nie bÚdziesz
pracowaÊ nad robotami, a nad eksperymentalnymi konstrukcjami, które majÈ udowodniÊ pewne wïaĂciwoĂci wspomnianych wczeĂniej materiaïów. W sekcji „Modyfikacja i rozbudowa” znajdziesz wskazówki, które
pozwolÈ Ci na dalsze zgïÚbianie tej tematyki. Odwiedě strony internetowe wymienione w ramkach umieszczonych w tym rozdziale — znajdziesz tam wiele dodatkowych informacji, a takĝe poradniki.
Projekt: poruszajÈcy siÚ papier
PoruszajÈcy siÚ papier jest konstrukcjÈ wykonanÈ z materiaïu, który moĝe siÚ poruszaÊ dziÚki pamiÚci
ksztaïtu.
Do czego to sïuĝy?
Papier peïniÈcy funkcjÚ siïownika moĝe, w zaleĝnoĂci od potrzeb, skïadaÊ siÚ i rozkïadaÊ, przybierajÈc róĝne
ksztaïty. Naukowcy próbujÈ zastosowaÊ tego typu materiaï do budowy robotów ogólnego stosowania, które
mogïyby dostosowywaÊ swój ksztaït do aktualnych potrzeb. Roboty mogÈce ulegaÊ transformacji byïyby
bardzo przydatne na misjach kosmicznych lub w innych miejscach, w których surowce sÈ trudno dostÚpne.
1. Roboty zbudowane z interesujÈcych materiaïów
Kup książkę
21
Poleć książkę
ArtyĂci i projektanci korzystajÈ z poruszajÈcego siÚ papieru podczas pracy nad ruchomymi rzeěbami i elementami wnÚtrz. Przy uĝyciu sensorów oraz poruszajÈcego siÚ papieru moĝliwe jest stworzenie struktur reagujÈcych na zmiany otoczenia
SkÈd siÚ to wziÚïo?
Papier wynaleziono w Chinach w okoïo 105 roku naszej ery. Wynalazek ten otworzyï zupeïnie nowe moĝliwoĂci przed czymĂ, co obecnie nazywamy projektowaniem produktów. Papier doskonale nadawaï siÚ do
druku, w zwiÈzku z tym bardzo szybko zastÈpiï pergamin i papirus, które byïy wczeĂniej uĝywane do produkcji ksiÈĝek, a takĝe metal, który byï wczeĂniej uĝywany do produkcji pieniÚdzy. Papier byï na tyle cienki, ĝe
moĝna go byïo zginaÊ, na tyle sztywny, ĝe samoczynnie nie zmieniaï ksztaïtu, a takĝe na tyle lekki, ĝe z ïatwoĂciÈ moĝna byïo go przenosiÊ; bardzo szybko zaczÚto go stosowaÊ do produkcji pudeïek, opakowañ, zabawek i elementów dekoracyjnych. Do poczÈtku XVIII wieku mechanizacja procesu produkcji papieru rozwinÚïa siÚ tak bardzo, ĝe jego ceny spadïy na tyle, ĝe zwyczajni ludzie mogli pozwoliÊ sobie na jego zakup.
Tworzenie róĝnych rzeczy z papieru staïo siÚ popularnym hobby mieszkañców Europy i Azji.
InspiracjÈ do zastosowania papieru jako materiaïu konstrukcyjnego robotów byïa tradycyjna japoñska sztuka
tworzenia figur z papieru oraz ksiÈĝki z „otwierajÈcymi siÚ” obrazkami. Ilustracje tego typu spotykane sÈ
w ksiÈĝkach dla dzieci oraz na kartach okolicznoĂciowych. To skïadane konstrukcje, które gdy ich okïadki sÈ
zïoĝone, sÈ pïaskie, a po otwarciu okïadek zmieniajÈ siÚ w elementy przestrzenne. Origami, tradycyjna japoñska sztuka, jest rozrywkÈ lubianÈ przez dzieci, ale jednoczeĂnie jest wyĝszÈ formÈ sztuki. Èczenie ze sobÈ
maïych, pojedynczych elementów umoĝliwia tworzenie bardzo skomplikowanych i piÚknych projektów (jest
to tzw. technika moduïowa). PracÚ nad skomplikowanymi elementami uïatwia zginanie techniczne (skïadanie
papieru tak, aby przybieraï róĝne geometryczne ksztaïty jeszcze przed przystÈpieniem do wykonywania wïaĂciwej konstrukcji). Origami to równieĝ sztuka wykonywania konstrukcji, które poruszajÈ siÚ po przyciĂniÚciu lub pociÈgniÚciu pewnego elementu. Tradycyjnymi przykïadami takich ruchomych konstrukcji sÈ ĝaby,
wspaniaïe wirujÈce spirale i wypadajÈce z siebie pudeïka. Osoby zajmujÈce siÚ origami udostÚpniajÈ wskazówki pozwalajÈce innym na wykonanie zaprojektowanych przez nie dzieï. Wskazówki te majÈ formÚ pisemnych instrukcji i graficznych diagramów pokazujÈcych miejsca, w których papier ma byÊ zginany.
W ciÈgu ostatnich kilku lat naukowcy zaczÚli badaÊ origami. W 2009 roku Erik Demaine oraz inni pracownicy
naukowi Instytutu Technologicznego w Massachusetts udowodnili, ĝe jeden ze sposobów skïadania papieru —
22
Kup książkę
Poleć książkę
kostka origami — moĝe byÊ uĝyty do stworzenia dowolnego ksztaïtu. NastÚpnie Demaine, Daniela Rus z tego
samego instytutu, a takĝe Robert Wood z Harvardu stworzyli z papieru skïadanego w kostkÚ, stopów z pamiÚciÈ ksztaïtu oraz magnesów konstrukcjÚ, która mogïa samodzielnie zïoĝyÊ siÚ w ksztaït przypominajÈcy samolot albo ïódě (zobacz rysunek 1.2). W 2014 roku ten sam zespóï opublikowaï artykuï, w którym opisaï robota
origami aktywowanego za pomocÈ ciepïa i stworzonego z papieru, miedzi, a takĝe polimeru z pamiÚciÈ ksztaïtu.
Rysunek 1.2. Robot wykonany z papieru i polimeru z pamiÚciÈ ksztaïtu aktywowanÈ zmianÈ temperatury,
stworzony przez naukowców z Harvardu i Instytutu Technologicznego w Massachusetts — konstrukcja
ta samodzielnie skïada siÚ i rozkïada
Autor: Seth Kroll — Wyss Institute w Harvardzie
WewnÚtrzna warstwa wykonana z miedzi zostaïa wytrawiona tak, aby powstaïy na niej Ăcieĝki, po których moĝe
pïynÈÊ prÈd elektryczny. Po podïÈczeniu do prÈdu, mikroprocesor dopuszcza do przepïywu prÈdu przez te
Ăcieĝki, co prowadzi do podgrzania polimeru i rozpoczÚcia procesu skïadania. Robot tego typu moĝe zostaÊ
zaprogramowany tak, aby przyjmowaÊ róĝne ksztaïty. Jeden z zaprezentowanych modeli, po przyjÚciu
ksztaïtu owada mógï poruszaÊ siÚ na czterech zmotoryzowanych koñczynach.
Inni naukowcy tacy jak Jie Qi z Media Lab Instytutu Technologicznego w Massachusetts starajÈ siÚ ïÈczyÊ
ze sobÈ sztukÚ oraz inĝynieriÚ origami, tworzÈc ĝurawie machajÈce skrzydïami lub papierowe „pnÈcza”,
które wyginajÈ siÚ po dotkniÚciu (zobacz rysunek 1.3).
Elementy wykonane z poskïadanego papieru sÈ równieĝ uĝywane do budowy robotów biomimetycznych.
Naukowcy z laboratorium Biomimetic Millisystems Lab z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley budujÈ
miniaturowe roboty z kartonu, stosujÈc przy tym proces, który nazwali tworzeniem inteligentnych, kompozytowych mikrostruktur. GiÚtka warstwa plastiku jest umieszczana pomiÚdzy dwoma warstwami kartonu.
Gdy model robota jest skïadany i wyginany wzdïuĝ naciÚtych wczeĂniej bruzd, wewnÚtrzna warstwa plastiku
Kup książkę
23
Poleć książkę
Rysunek 1.3. Ruchoma papierowa rzeěba stworzona przez Jie Qi — papier jest poruszany dziÚki drutowi
wykonanemu ze stopu z pamiÚciÈ ksztaïtu
Autor: Jie Qi
staje siÚ giÚtkim przegubem, który nie generuje praktycznie ĝadnych oporów. Wykonanie pracujÈcego robota
w tej technologii trwa mniej niĝ godzinÚ, a zastosowanie tanich materiaïów uïatwia naukowcom wprowadzanie poprawek, a takĝe tworzenie i testowanie nastÚpnych prototypów.
Jednym z pierwszych miniaturowych robotów wykonanych w tej technologii byï insektoid o nazwie RoACH
(Robotic Autonomous Crawling Hexapod). Robot ten porusza siÚ dziÚki drutowi wykonanemu ze stopu
z pamiÚciÈ ksztaïtu. Druty te pociÈgajÈ ruchome pïytki przyczepione do jego szeĂciu nóg. Robot ten posiada
dwa stopnie mobilnoĂci — moĝe poruszaÊ siÚ w dwóch kierunkach. Pïytki mogÈ poruszaÊ siÚ do góry i do
doïu, w ten sposób podnoszÈc i opuszczajÈc nogi, a takĝe do przodu i do tyïu, dziÚki czemu robot moĝe kroczyÊ
w przód i w tyï. SzeĂÊ koñczyn zaprojektowanego póěniej robota DASH (Dynamic Autonomous Sprawled
Hexapod) jest napÚdzanych za pomocÈ silników. DASH w ciÈgu sekundy moĝe pokonaÊ odlegïoĂÊ 15 razy
wiÚkszÈ od dïugoĂci swojego korpusu. Ponadto robot ten bez szwanku wychodzi z upadku z dachu kilkupiÚtrowego budynku. Konstrukcja ta zostaïa przeksztaïcona przez Dash Robotics w zestaw do samodzielnego
montaĝu przeznaczony dla uczniów i robotyków amatorów. UrzÈdzenie to (zobacz rysunek 1.4) moĝe byÊ
sterowane za pomocÈ smartfona lub tabletu.
Jak to dziaïa?
Papier, jako materiaï sïuĝÈcy do budowy robotów, jest wystarczajÈco sztywny, aby samoczynnie siÚ nie
odksztaïcaÊ, a takĝe wystarczajÈco mocny — wytrzymuje niewielkie obciÈĝenia. JednoczeĂnie jest on doĂÊ
giÚtki — po zïoĝeniu moĝe dziaïaÊ jak sprÚĝyna. W robotach wykonanych z papieru, takich jak DASH i RoACH,
zastosowano rozwiÈzanie przypominajÈce przegub, zwane mechanizmem Sarrusa. Mechanizm ten jest
wklÚsïym równolegïobokiem, który moĝe wprawiaÊ w ruch koñczyny robota. Ruchome modele origami, takie
jak podskakujÈca ĝaba, poruszajÈ siÚ dziÚki energii potencjalnej wygenerowanej podczas zginania przyciskanego papieru.
24
Kup książkę
Poleć książkę
Rysunek 1.4. DASH jest robotem przypominajÈcym insekta; jego konstrukcja zostaïa wykonana z kartonowych
elementów wycinanych za pomocÈ lasera
½ródïo: Dash Robotics
Nitinol zostaï odkryty w 1959 roku przez Williama J. Buehlera, który byï naukowcem pracujÈcym dla wojska
(nazwa tej substancji jest anglojÚzycznym akronimem, informujÈcym o tym, ĝe jest to stop niklu z tytanem
uzyskany w laboratorium badawczym marynarki wojennej Stanów Zjednoczonych). Materiaï ten jest bardzo
giÚtki i wytrzymaïy. Stosuje siÚ go w ortopedii, w chirurgii ukïadu sercowo-naczyniowego, a takĝe do budowy
silników cieplnych, wytwarzania zïÈcz hydraulicznych stosowanych w samolotach, produkcji oprawek okularów oraz zabawek. Materiaï ten charakteryzuje siÚ pamiÚciÈ ksztaïtu, poniewaĝ atomy w kaĝdej molekule
nitinolu przyjmujÈ ksztaït krystaliczny zaleĝny od temperatury. W wysokich temperaturach atomy wchodzÈ
w fazÚ austenitycznÈ, w której kaĝdy atom niklu jest otaczany oĂmioma atomami tytanu, co prowadzi do
stworzenia przestrzennej konstrukcji przypominajÈcej szeĂcian. W niĝszych temperaturach atomy wchodzÈ
w fazÚ martenzytu — tworzÈ jeszcze bardziej zïoĝony ukïad. IstniejÈ róĝne rodzaje nitinolu, które mogÈ byÊ
przystosowane do zmiany fazy przy róĝnych temperaturach. Poszerza to znacznie zakres zastosowañ tego
stopu. Niektóre produkty wykonane z nitinolu mogÈ byÊ zaprogramowane przez uĝytkownika. MoĝliwoĂci
takiej nie posiadajÈ wszystkie produkty wykonane z tego stopu.
Konstruktorzy robotów czÚsto korzystajÈ z Flexinolu — drutu wykonanego z nitinolu produkowanego przez
Dynalloy. Drut ten kurczy siÚ o okoïo 5 – 10%, kiedy zostanie ogrzany przez pïynÈcy przez niego prÈd elektryczny. Po ostygniÚciu materiaï ten moĝe byÊ odgiÚty i przyjÈÊ poczÈtkowy ksztaït. Zmiana rozmiaru jest
niewielka, a materiaï musi zostaÊ rozciÈgniÚty do poczÈtkowego rozmiaru przez zewnÚtrznÈ siïÚ, a wiÚc dziaïanie siïownika zbudowanego w oparciu o Flexinol zaleĝy od konstrukcji robota i zastosowanych materiaïów.
Jeĝeli Flexinol ma zostaÊ przyczepiony do sztywnego materiaïu, takiego jak metal lub drewno, to moĝna go
rozciÈgaÊ do poczÈtkowej dïugoĂci za pomocÈ gumy. W przypadku konstrukcji wykonanej z papieru Flexinol
moĝe byÊ rozciÈgany siïÈ grawitacji lub sprÚĝystoĂci papieru. W przypadku prostych papierowych konstrukcji
ruch generowany przez siïownik wykonany z Flexinolu jest zwykle doĂÊ nikïy. RozwiÈzanie takie nadaje siÚ
Kup książkę
25
Poleć książkę
doskonale do delikatnego falowania papierowych rzeěb, dziÚki któremu wydajÈ siÚ one ĝywe. Jednakĝe stworzenie robotów-insektów, które bÚdÈ biegaïy lub lataïy, wymaga zastosowania o wiele bardziej zaawansowanych rozwiÈzañ technologicznych.
Wykonanie projektu
Jeĝeli chodzi o budowÚ robotów, to nie ma prostszych rozwiÈzañ od konstrukcji wykonanej ze zgiÚtego papieru.
Podczas pracy nad tym projektem nie zbudujesz robota, który chodzi i mówi, ale zdobÚdziesz praktyczne
umiejÚtnoĂci w pracy nad prototypami robotów, wykorzystujÈc do tego materiaïy, które znajdujÈ siÚ w kaĝdym
domu. Ponadto nauczysz siÚ w praktyce ïÈczyÊ komponenty obwodów elektrycznych i dowiesz siÚ, jak moĝna
stosowaÊ programowalny materiaï przyszïoĂci, jakim jest Flexinol. Materiaï ten moĝe wchodziÊ w skïad papierowych konstrukcji, które skaczÈ, koïyszÈ siÚ i falujÈ.
Niemalĝe wszystkie materiaïy niezbÚdne do wykonania tego projektu znajdziesz w swoim domu i w sklepie
z artykuïami krawieckimi lub budowlanymi. WyjÈtek stanowi drut wykonany z nitinolu, który bÚdzie trzeba
zamówiÊ przez internet. Zamów wiÚkszÈ iloĂÊ Flexinolu, niĝ potrzeba do wykonania tego projektu — bez
sterownika lub komponentów ochronnych istnieje duĝe prawdopodobieñstwo przepalenia tego drutu. Ponadto
zapas Flexinolu przyda Ci siÚ do realizacji wïasnych pomysïów i zabawy z poruszajÈcymi siÚ modelami wykonanymi z papieru i innych materiaïów.
Nie zapomnij o prowadzeniu dokumentacji podczas pracy!
Parametry projektu
x Czas potrzebny na wykonanie projektu: 2 – 3 godziny;
x Koszt: 50 – 150 zï;
x TrudnoĂÊ: ïatwy – umiarkowanie trudny;
x Zagroĝenia: niektóre baterie 9 V sÈ fabrycznie „przeïadowane” i na poczÈtku uĝytkowania mogÈ dostarczaÊ
prÈd o zbyt wysokim napiÚciu. Zachowaj ostroĝnoĂÊ i podïÈczaj baterie do obwodu na bardzo krótki
czas — dziÚki temu nie przegrzejesz drutu z pamiÚciÈ ksztaïtu. Nie dopuszczaj do iskrzenia w okolicy
papierowego modelu.
Co musisz wiedzieÊ?
x Posiadane przez Ciebie umiejÚtnoĂci: przydadzÈ Ci siÚ umiejÚtnoĂci krawieckie (szycie i pereïkowanie),
ale nie sÈ one wymagane.
x UmiejÚtnoĂci, których nabÚdziesz podczas pracy nad projektem: ïÈczenie obwodu elektrycznego.
Materiaïy niezbÚdne do wykonania projektu
x Drut Flexinol o dïugoĂci przynajmniej 60 cm. Podczas pracy nad swojÈ wersjÈ projektu korzystaïam
z drutu oznaczonego symbolem HT (wysoka temperatura) o Ărednicy 0,20 mm, ale moĝesz równieĝ zaopatrzyÊ siÚ w drut o Ărednicy 0,15 mm, który wedïug producenta moĝe byÊ stale podïÈczony do prÈdu bez
ryzyka przepalenia siÚ. RobotShop (http://www.robotshop.com/) oferujÚ szpulÚ z 5 metrami Flexinolu za
równowartoĂÊ okoïo 90 zï;
x TaĂma papierowa;
26
Kup książkę
Poleć książkę
x Szczypce do ciÚcia drutu;
x Szczypce póïokrÈgïe;
x Przynajmniej dwa maïe metalowe zaciski do koralików (w sklepach krawieckich zaciski te sÈ sprzedawane
w paczkach zawierajÈcych po 50 sztuk);
x Aluminiowa taĂma klejÈca. Maïe rolki taĂmy wykonanej z aluminium znajdziesz w sklepach budowlanych,
w dziaïach z artykuïami zwiÈzanymi z ogrzewaniem. Unikaj metalizowanych, kolorowych taĂm klejÈcych;
x Dïugopis;
x Noĝyczki;
x Papier — standardowy papier do kserokopiarek formatu A4 lub brystol;
x Przezroczysta, szeroka taĂma opakunkowa;
x Bateria 9 V (kup zwykïÈ bateriÚ, a nie akumulator).
Wskazówki
Krok 1. Lista wymagañ
Projekt ten ma na celu poznanie róĝnych zastosowañ sprÚĝystoĂci zgiÚtego papieru uĝytego do konstrukcji robotów i innych ruchomych modelów. Ponadto dowiesz siÚ, jak wzmocniÊ siïÚ sprÚĝystoĂci za
pomocÈ Flexinolu.
Krok 2. Planowanie projektu
Flexinol moĝe byÊ poïÈczony z papierem za pomocÈ kilku róĝnych technik. Najprostszymi i najbardziej
widowiskowymi rozwiÈzaniami sÈ zwijanie paska papieru i poruszanie klapÈ za pomocÈ papierowego
zawiasu. Jeĝeli nie chcesz marnowaÊ zbyt duĝej iloĂci drutu z pamiÚciÈ ksztaïtu, moĝesz zbudowaÊ
platformÚ testowÈ, która pozwoli Ci na sprawdzenie dziaïania róĝnych konstrukcji za pomocÈ tego samego
kawaïka drutu.
Krok 3. Zatrzymaj siÚ, powtórz i poszukaj pomocy
Przed przystÈpieniem do pracy nad projektem moĝesz poszerzyÊ swojÈ wiedzÚ dotyczÈcÈ technik origami.
Wykonaj modele, które CiÚ zainteresujÈ. OdwiedzajÈc strony wymienione w ramce „Przydatne adresy”,
zdobÈdě wiedzÚ dotyczÈcÈ tradycyjnych technik, a takĝe nowatorskich rozwiÈzañ. Znajdziesz tam odwoïania do filmów instruktaĝowych, których autorem jest Jeremy Shafer. Moĝesz równieĝ zajrzeÊ do ksiÈĝek
napisanych przez Roberta J. Langa.
WiÚcej informacji na temat nitinolu, a takĝe jego dziaïania znajdziesz w serwisach takich jak Dynalloy
i RobotShop. Adresy tych serwisów sÈ równieĝ podane we wspomnianej wczeĂniej ramce. W serwisie
Make znajdziesz artykuï napisany przez Jie Qi z Media Labs Instytutu Technologicznego w Massachusetts. Na stronie internetowej Jie Qi zobaczysz wiele inspirujÈcych ruchomych konstrukcji wykonanych
z papieru.
Drut podĞâczaj do prâdu tylko na kilka sekund — odĞâczaj go od prâdu, gdy przestanie
siö kurczyä. Przegrzanie drutu moŘe doprowadziä do jego „rozprogramowania” albo
— co gorsza — zapaliä papier.
Krok 4. Budowa prototypu
Aby zbudowaÊ platformÚ przeznaczonÈ do testowania drutu z pamiÚciÈ ksztaïtu, wykonaj nastÚpujÈce
czynnoĂci:
Kup książkę
27
Poleć książkę
1. Wytnij kawaïek Flexinolu o dïugoĂci 45 cm za pomocÈ szczypiec (jeĝeli posiadasz drut o Ărednicy 0,20
mm). Jeĝeli posiadasz drut o Ărednicy 0,15 mm, to wystarczy Ci kawaïek o dïugoĂci 23 cm. Oznacz
drut, oklejajÈc go kawaïkiem taĂmy papierowej. Jest on cienki i sprÚĝysty, wiÚc ïatwo go zgubiÊ.
2. Na koñcach drutu wykonaj pÚtelki i zaïóĝ na nie zaciski do koralików. Uïatwi to pracÚ z drutem, a takĝe
poprawi przewodnictwo elektryczne. Zaciski te naleĝy zakïadaÊ na drut, który chcemy do czegoĂ
przylutowaÊ, poniewaĝ spoiwo lutownicze ma tendencjÚ do odpadania od kurczÈcego siÚ lub rozciÈganego drutu. Zegnij 6 mm drutu znajdujÈcego siÚ na kaĝdym z koñców, tak aby utworzyï on ksztaït
litery U (czynnoĂÊ tÚ wykonaj za pomocÈ szczypiec). Na krañce drutu nasuñ zaciski do koralików,
a nastÚpnie przesuñ je przez zgiÚte czÚĂci drutu. OdciÈgnij zacisk tak, aby objÈÊ nim równieĝ zgiÚty
fragment drutu.
3. ¥ciĂnij zacisk za pomocÈ szczypiec najmocniej, jak tylko potrafisz (zacisk powinien zrobiÊ siÚ pïaski).
Sprawdě, czy zacisk moĝe poruszaÊ siÚ po drucie — jeĝeli moĝe, to zaciĂnij szczypce na zacisku
pod nieco innym kÈtem. W ten sam sposób zamontuj zacisk na drugim koñcu drutu.
28
Kup książkę
Poleć książkę
4. Teraz czas na wykonanie Ăcieĝek (elementów obwodu przewodzÈcych prÈd) z wÈskich pasków
aluminiowej taĂmy samoprzylepnej (rozwiÈzanie to wymyĂliï Chris Connors — redaktor publikujÈcy
artykuïy na ïamach czasopisma „Make”). Odetnij kawaïek taĂmy wykonanej na bazie folii aluminiowej o dïugoĂci okoïo 15 cm.
OdwróÊ taĂmÚ tak, aby u góry znajdowaïa siÚ jej papierowa strona. Zaznacz na niej za pomocÈ dïugopisu linie dzielÈce taĂmÚ na piÚÊ dïugich pasków o szerokoĂci 1 cm, a nastÚpnie przetnij taĂmÚ
wzdïuĝ narysowanych linii.
5. Weě jeden z wÈskich pasków wyciÚtych z taĂmy i przetnij go na dwa paski — jeden z nich powinien mieÊ dïugoĂÊ 8 cm, a drugi 6 cm. Weě jeden z tych pasków i usuñ z niego znajdujÈcÈ siÚ z tyïu
warstwÚ papieru na odcinku o dïugoĂci 1,25 cm. ChwyÊ drut za jeden z koñców, na których zamocowaïeĂ wczeĂniej zaciski do koralików, i przyïóĝ go do odsïoniÚtego fragmentu folii aluminiowej.
Kup książkę
29
Poleć książkę
Przyïóĝ papierowÈ osïonÚ z powrotem w to miejsce. PrzyciĂnij zacisk z drutem do folii tak, aby pomiÚdzy
tymi elementami powstaïo poïÈczenie galwaniczne. CzynnoĂÊ tÚ powtórz, pracujÈc nad drugim kawaïkiem folii i drugim zaciskiem zaïoĝonym na drut.
6. Wykonaj podstawÚ platformy testowej — weě kartkÚ papieru lub brystolu i poïóĝ jÈ na stole tak, aby
byïa ona zorientowana poziomo. Nieco poniĝej Ărodka kartki nanieĂ za pomocÈ dïugopisu dwa
oznaczenia. Powinny one byÊ oddalone od siebie o 3 mm. Weě jeden z pasków folii, do których
przymocowaïeĂ drut, i ponownie odsïoñ ten sam fragment taĂmy. Przyïóĝ pasek do papieru i powoli
usuñ caïÈ warstwÚ zabezpieczajÈcÈ taĂmÚ aluminiowÈ. CzynnoĂÊ tÚ naleĝy powtórzyÊ z drugim paskiem.
Paski powinny zostaÊ przyklejone w niewielkiej odlegïoĂci od siebie. Nie przejmuj siÚ zwojem drutu
leĝÈcym na kartce.
7. Jeĝeli chcesz, to rozbuduj obwód, przedïuĝajÈc obie Ăcieĝki wykonane z taĂmy. Przetnij nastÚpny pasek
na dwa równe odcinki. Weě jeden z tych odcinków i poïóĝ go pod kÈtem prostym na koniec jednego
z wczeĂniej przyklejonych pasków. Oderwij ochronny papier i mocno go przyciĂnij, tak aby górny
30
Kup książkę
Poleć książkę
fragment folii dobrze przylegaï do dolnego. W ten sam sposób przedïuĝ równieĝ drugi odcinek taĂmy.
Obwód moĝesz rozbudowywaÊ dalej, ale pamiÚtaj o tym, ĝe poïÈczenia wykonane za pomocÈ kleju
mogÈ okazaÊ siÚ zawodne. Bardzo dïugie Ăcieĝki wykonane z folii aluminiowej mogÈ mieÊ walory
dekoracyjne, ale nie majÈ walorów uĝytkowych. Tak naprawdÚ potrzebujesz tylko fragmentów znajdujÈcych siÚ najbliĝej drutu z pamiÚciÈ ksztaïtu.
8. Jeĝeli nie chcesz, aby Twoja platforma testowa porwaïa siÚ podczas przyczepiania lub zdejmowania
papierowych modeli, osïoñ jej górnÈ czÚĂÊ ochronnÈ warstwÈ taĂmy. Zabezpieczanie platformy rozpocznij od miejsca poïoĝonego nad paskami folii aluminiowej. Osïoñ przestrzeñ aĝ do górnego brzegu
kartki. Najlepiej w tym celu jest zastosowaÊ szerokÈ, przezroczystÈ taĂmÚ opakunkowÈ, ale moĝesz
skorzystaÊ równieĝ z taĂmy papierowej. Musisz po prostu naklejaÊ kolejne paski taĂmy obok siebie.
Krok 5. Sprawdzanie dziaïania prototypu
Przed przystÈpieniem do pracy nad papierowymi modelami rozgrzej drut i upewnij siÚ, czy dziaïa poprawnie, a nastÚpnie rozciÈgnij go. Przyczep pÚtlÚ drutu do platformy testowej za pomocÈ kilku cienkich pasków
taĂmy papierowej opasajÈcej drut. Najïatwiej jest to wykonaÊ, odwijajÈc dïuĝszy kawaïek taĂmy ze szpuli,
Kup książkę
31
Poleć książkę
a nastÚpnie nacinajÈc go wzdïuĝ jednej z krawÚdzi — w ten sposób bÚdziesz mógï uzyskaÊ paski o dowolnej
dïugoĂci. Naklej pasek na drut prostopadle do niego. PrzyklejajÈc Ărodek taĂmy do drutu, stosuj mniejszÈ
siïÚ nacisku niĝ przy przyklejaniu jej krañców do papieru — drut pod taĂmÈ powinien siÚ ruszaÊ. Takie
opaski wykonane z taĂmy papierowej mogÈ byÊ uĝyte kilkukrotnie. TaĂma papierowa po skrÚceniu
w rulon tak, aby klej znalazï siÚ po jego zewnÚtrznej stronie, moĝe byÊ uĝyta do przyczepiania modelu do
platformy testowej.
Upewnij siÚ, ĝe koñce przewodów sÈ dobrze unieruchomione. Nie powinny one dotykaÊ do siebie, gdy drut
bÚdzie siÚ poruszaÊ.
Teraz moĝesz wziÈÊ bateriÚ 9 V i na chwilÚ dotknÈÊ jej biegunami do Ăcieĝek wykonanych z folii aluminiowej. Drut powinien zginaÊ siÚ i skrÚcaÊ. OdïÈcz bateriÚ od Ăcieĝek, gdy drut przestanie siÚ poruszaÊ —
nie dotykaj bateriÈ do Ăcieĝek przez wiÚcej niĝ 3 – 4 sekundy. Zbyt dïugie zasilanie drutu moĝe prowadziÊ
do jego przegrzania, co moĝe skutkowaÊ jego deformacjÈ. Po sprawdzeniu dziaïania drutu moĝesz przystÈpiÊ do pracy z papierowymi modelami. Oto dwa proste przykïadowe modele:
32
Kup książkę
Poleć książkę
PeïzajÈca klapka
1. Weě kartkÚ formatu A4 i wytnij z niej prostokÈt o wymiarach 22u14 cm (pozostaïÈ czÚĂÊ kartki moĝesz
zachowaÊ na póěniej). Wykonaj rurkÚ z taĂmy papierowej (klej powinien znajdowaÊ siÚ na zewnÈtrz
rurki), a nastÚpnie za jej pomocÈ przyklej wyciÚty pasek papieru do platformy w pobliĝu pasków folii
aluminiowej (w dolnej czÚĂci przestrzeni testowej Twojej platformy). Papierowa klapka powinna leĝeÊ
pïasko na platformie, ale jeĝeli jej górna czÚĂÊ nieco od niej odstaje, to nie stanowi to problemu.
2. Uïóĝ pÚtlÚ z drutu z pamiÚciÈ ksztaïtu w górnej czÚĂci papierowej klapki. Przyklej przewód do kartki
za pomocÈ opasek z taĂmy papierowej. Opaski powinny byÊ oddalone od siebie o okoïo 1,25 cm
(w górnej czÚĂci pÚtli opaski naleĝy umieszczaÊ gÚĂciej niĝ w dolnej).
3. Dotknij biegunami baterii 9 V do Ăcieĝek wykonanych z folii aluminiowych. Papierowa klapka powinna
siÚ zwinÈÊ lub pofaïdowaÊ. Ruch klapki moĝesz zmodyfikowaÊ, zmieniajÈc miejsca, w których przyklejone sÈ paski taĂmy papierowej. Zegnij klapkÚ w jednym lub kilku miejscach i zobacz, jak taki zabieg
wpïywa na ruch papieru.
Kup książkę
33
Poleć książkę
Przydatne adresy: papierowa robotyka
Poradnik dotyczÈcy pracy ze stopami z pamiÚciÈ Strona laboratorium zajmujÈcego siÚ biomimetykÈ
ksztaïtu: http://makezine.com/2012/01/31/skill-builder- Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley: http://
working-with-shape-memory-alloy/;
robotics.eecs.berkeley.edu/~ronf/Biomimetics.html;
Jie Qi: http://technolojie.com/;
Dash Robotics: http://dashrobotics.com/;
Robert J. Lang: http://www.langorigami.com/;
Kanaï Jeremy’ego Shafera w serwisie YouTube:
https://www.youtube.com/user/jeremyshaferorigami.
Do projektu dodaj papierowe usta
W sztuce origami mówi siö o „dolinach” bödâcych zagiöciami skierowanymi w dóĞ
i „górach” — zagiöciach skierowanych ku górze.
1. Z kartki papieru wytnij prostokÈt o wymiarach 22u14 cm. Poïóĝ go tak, aby jego dïuĝszy bok byï
zwrócony w TwojÈ stronÚ. Zïóĝ go na póï — dolna i górna krawÚdě prostokÈta powinny stykaÊ siÚ
ze sobÈ. NastÚpnie chwyÊ za górnÈ krawÚdě i zegnij jÈ w dóï na odcinku o dïugoĂci okoïo 2 cm.
Odegnij jÈ. Zegnij róg kartki tak, aby znalazï siÚ on na równi z wykonanym wczeĂniej zagiÚciem. TÚ
samÈ czynnoĂÊ wykonaj z drugim rogiem. OdwróÊ caïÈ konstrukcjÚ i opisane czynnoĂci powtórz
dla drugiej krawÚdzi. Ustaw krawÚdzie tak, aby znajdowaïy siÚ pod kÈtem prostym w stosunku do
reszty kartki papieru. W ten sposób skonstruowaïeĂ zewnÚtrznÈ czÚĂÊ ust.
2. Uïóĝ papier tak, aby wykonane zagiÚcia byïy zwrócone ku górze. Zegnij po raz kolejny górnÈ czÚĂÊ kartki
na odcinku o dïugoĂci 1,25 cm. Nie rozkïadaj tego zïoĝenia, odwróÊ caïÈ konstrukcjÚ i zïóĝ jÈ jeszcze
raz na takim samym odcinku. Ostatnie zagiÚcie powinno byÊ zwrócone do Ciebie. Rozïóĝ wykonane
zïoĝenia i rozprostuj papier tak, aby boki kartki miaïy ksztaït litery V. Popraw zgiÚcia tak, aby papier
wyglÈdaï jak akordeon (papier powinien byÊ zïoĝony wedïug wzoru dolina-góra-dolina-góra-dolina).
34
Kup książkę
Poleć książkę
3. Zïóĝ model i poïóĝ go na boku. WïaĂnie wykonaïeĂ papierowe „usta”, które samoczynnie zamykajÈ siÚ
po otwarciu. Wygnij ku górze górne rogi tak, aby maïe papierowe trójkÈty wystawaïy zza ukoĂnie
zgiÚtych rogów — w ten sposób stworzysz parÚ „oczu”.
4. TaĂmÚ papierowÈ zwiñ w rulon tak, aby na zewnÈtrz rulonu znalazïa siÚ klejÈca czÚĂÊ taĂmy. Rulon
przyklej wzdïuĝ dolnej krawÚdzi papierowego modelu — obok zgiÚÊ wyglÈdajÈcych jak akordeon.
Przyklej krawÚdě z taĂmÈ do platformy tak, aby usta byïy zwrócone w kierunku przeciwnym do folii
aluminiowej.
5. Przyczep pÚtlÚ drutu z pamiÚciÈ ksztaïtu do górnej czÚĂci modelu za pomocÈ opasek wykonanych
z taĂmy papierowej. Drut powinien biec w górÚ równolegle do bocznych krawÚdzi modelu i w poprzek
zewnÚtrznej strony górnego zïoĝenia. Nadmiar drutu przyczep do platformy testowej.
6. OdwróÊ platformÚ testowÈ tak, aby usta byïy zwrócone ku Tobie. Dotknij biegunami baterii 9 V do
Ăcieĝek wykonanych z folii aluminiowej. Usta powinny otworzyÊ siÚ powoli. OdïÈcz bateriÚ od obwodu,
a usta zacznÈ powoli siÚ zamykaÊ dziÚki sprÚĝystoĂci zgiÚtego papieru
Kup książkę
35
Poleć książkę
Krok 6. Usuwanie usterek i dopracowywanie prototypu
W celu uzyskania jak najlepszego efektu drut powinien byÊ maksymalnie naprÚĝony. Jeĝeli drut po rozciÈganiu luzuje siÚ, to pociÈgnij go w stronÚ Ăcieĝek wykonanych z folii aluminiowej. Zachowaj ostroĝnoĂÊ podczas wykonywania tej czynnoĂci i nie przerwij drutu. NastÚpnie przenieĂ model w górÚ platformy — napnij przewód tak, aby nie marszczyÊ papieru, do którego jest on przyczepiony.
Jeĝeli nic siÚ nie dzieje, kiedy dotykasz bateriÈ do Ăcieĝek, to przyciĂnij jÈ mocniej. Jeĝeli zbudowaïeĂ
Ăcieĝki skïadajÈce siÚ z kilku poïÈczonych ze sobÈ fragmentów taĂmy, to dotknij biegunami baterii bezpoĂrednio do fragmentów, do których podïÈczyïeĂ drut. Jeĝeli fragmenty taĂmy nie sÈ ze sobÈ prawidïowo poïÈczone, to spróbuj je docisnÈÊ mocniej.
PamiÚtaj o tym, ĝe ten projekt doĂÊ szybko rozïadowuje bateriÚ, a wiÚc jeĝeli nagle przestanie dziaïaÊ,
to moĝe to wynikaÊ z rozïadowania baterii. W takim przypadku skorzystaj z innej, nowej baterii.
36
Kup książkę
Poleć książkę
Krok 7. Modyfikacja i rozbudowa
Naukowcy stale prowadzÈ badania nad zastosowaniami poruszajÈcego siÚ papieru. PlatformÚ testowÈ
moĝesz wykorzystaÊ do prowadzenia eksperymentów z róĝnymi materiaïami i komponentami:
Wypróbuj papier, który jest ciÚĝszy, lĝejszy, sztywniejszy lub bardziej giÚtki.
Warto wypróbowaÊ kwadratowy papier origami, który jest lĝejszy od papieru przeznaczonego do kserokopiarek. Jie Qui z Instytutu Technologicznego w Massachusetts zbudowaïa jeden ze swych ruchomych
modeli origami z papieru woskowego.
Eksperymentuj z róĝnymi bateriami, napiÚciami i Ărednicami drutu z pamiÚciÈ ksztaïtu.
Zamiast podïÈczaÊ do drutu bateriÚ 9 V, moĝesz go zasilaÊ za pomocÈ ogniw AA lub AAA, ale musisz
w tym celu kupiÊ specjalny koszyk. Na stronie Dynalloy (http://www.dynalloy.com/tech_data_wire.php)
znajdziesz tabelÚ, która uïatwi Ci okreĂlenie wïaĂciwego natÚĝenia prÈdu.
Wykonaj solidniejszÈ i ostatecznÈ wersjÚ modelu.
Zamiast przyklejaÊ drut do papieru za pomocÈ papierowej taĂmy klejÈcej, moĝesz go przyszyÊ za
pomocÈ nici wykonanej z baweïny lub innego materiaïu nieprzewodzÈcego prÈdu. Wykonaj kilka
maïych szwów na skos lub prostopadle do drutu. DziÚki temu drut bÚdzie poruszaï siÚ swobodniej.
Pobaw siÚ rezystancjÈ.
Folia aluminiowa nie jest idealnym przewodnikiem prÈdu, a wiÚc im dïuĝsze Ăcieĝki dodaïeĂ do obwodu,
tym wiÚksza jest jego rezystancja. OczywiĂcie rezystancja wpïywa na przepïyw prÈdu w obwodzie.
Dotykaj bateriÈ do róĝnych punktów Ăcieĝek i zobacz, jaki to ma wpïyw na zachowanie kurczÈcego
siÚ drutu.
Wykonaj solidniejsze poïÈczenia elektryczne.
Zamiast przyklejaÊ do siebie kawaïki taĂmy wykonanej z folii aluminiowej, spróbuj zgiÈÊ koniec
przyïÈczanego fragmentu taĂmy tak, aby dotykaï on do pierwszego fragmentu taĂmy stronÈ, na
którÈ nie naniesiono kleju. PoïÈczenie takie zabezpiecz dodatkowym kawaïkiem taĂmy. W sklepach
elektronicznych moĝesz znaleěÊ równieĝ taĂmÚ miedzianÈ, którÈ moĝesz nakleiÊ na ïÈczone ze sobÈ
paski folii aluminiowej, a nastÚpnie poïÈczyÊ stykajÈce siÚ elementy za pomocÈ spoiwa lutowniczego.
WiÚcej informacji na temat wykonywania poïÈczeñ lutowniczych znajdziesz w opisie drugiego projektu przedstawionego w rozdziale 3. Instruktaĝ dotyczÈcy lutowania metalowych taĂm znajdziesz
na stronie internetowej prowadzonej przez Jie Qi.
Podstawowe informacje dotyczÈce obwodów
Budowa obwodów elektrycznych to bardzo szerokie
zagadnienie, ale teoriÈ obwodów rzÈdzi jedna ogólna
zasada: prÈd musi pïynÈÊ przez zamkniÚtÈ pÚtlÚ (stÈd
termin obwód). ElektrycznoĂÊ jest ruchem elektronów przeskakujÈcych z jednego atomu do drugiego.
Jak zapewne pamiÚtasz z lekcji fizyki, atom jest najmniejszÈ czÈstkÈ substancji takich jak tlen, hel, uran
czy miedě. W Ărodku atomu znajdujÈ siÚ neutrony oraz
posiadajÈce dodatni ïadunek protony. Wokóï tych nukleonów krÈĝÈ ujemnie naïadowane elektrony. Bateria lub ogniwo sïoneczne dostarcza energiÚ, która
wprawia elektrony w ruch. PracujÈc nad obwodami
wchodzÈcymi w skïad projektów opisanych w tej
ksiÈĝce, moĝesz wyobraziÊ sobie przepïyw prÈdu
jako ruch ïadunków wypïywajÈcych z dodatniego
zacisku baterii (oznaczonego znakiem +), pïynÈcych
przez elementy obwodu, a nastÚpnie wpïywajÈcych do ujemnego zacisku baterii (oznaczonego
znakiem –). W skïad obwodu zwykle wchodzi urzÈdzenie korzystajÈce z energii elektrycznej, takie jak
ĝarówka lub silnik.
Kup książkę
37
Poleć książkę
Jeĝeli nigdy wczeĂniej nie budowaïeĂ obwodów elektrycznych od podstaw, to spróbuj podïÈczyÊ diodÚ LED
lub silnik prÈdu staïego do baterii (zanim to zrobisz,
doczytaj do koñca tÚ ramkÚ). Komponenty te moĝesz
zamówiÊ przez internet lub kupiÊ w lokalnym sklepie
z artykuïami elektronicznymi. Moĝesz je równieĝ uzyskaÊ w wyniku demontaĝu breloczka do kluczy wyposaĝonego w latarkÚ lub starej elektrycznej szczoteczki
do zÚbów. Szybko odkryjesz, ĝe diody LED sÈ doĂÊ
kapryĂne. Zwykle dodatnie zïÈcze diody LED jest dïuĝsze, a okolica diody znajdujÈca siÚ obok ujemnego
zïÈcza jest nieco spïaszczona. atwo to zapamiÚtaÊ,
kojarzÈc, ĝe do dodatniego bieguna coĂ dodano, a od
ujemnego bieguna coĂ ujÚto. Jeĝeli dioda LED zostanie podïÈczona do baterii niepoprawnie (dodatnie zïÈcze diody powinno byÊ podïÈczone do dodatniego
bieguna baterii, a ujemne zïÈcze diody powinno byÊ
podïÈczone do ujemnego bieguna baterii), to dioda ta
nie bÚdzie ĂwieciÊ. Silniki prÈdu staïego, z których
korzystamy w tej ksiÈĝce, moĝna podïÈczaÊ do baterii
w dowolny sposób, bÚdÈ one dziaïaïy, ale obracaïy
siÚ w róĝnym kierunku w zaleĝnoĂci od sposobu
podïÈczenia biegunów silnika do biegunów baterii.
WiÚkszoĂÊ diod LED zaczyna ĂwieciÊ po podïÈczeniu do ěródïa prÈdu o napiÚciu nieco wyĝszym od
2 V, a przepali siÚ po podïÈczeniu do baterii o napiÚciu 9 V. Do bezpoĂredniego, chwilowego zasilania
diod LED moĝna zastosowaÊ pïaskie baterie o napiÚciu znamionowym 3 V, które sÈ uĝywane do zasilania zegarków (tego typu rozwiÈzanie zastosowano w tzw. rzutkach — zobacz ramkÚ „Przeïam
kod: rzutki”). Jeĝeli chcesz zasilaÊ diodÚ LED przez
dïuĝszy czas, to musisz poïÈczyÊ jÈ z bateriÈ za
poĂrednictwem rezystora. Rezystor jest maïym komponentem utrudniajÈcym przepïyw prÈdu elektrycznego. W przypadku zastosowanej wczeĂniej analogii
do przepïywu wody w rurach, rezystancjÚ moĝna
porównaÊ ze ĂrednicÈ rur. Im wiÚksza Ărednica rury,
tym wiÚcej wody moĝe przez niÈ przepïynÈÊ w danej
jednostce czasu. Na stronie internetowej firmy
SparkFun znajdziesz poradnik dotyczÈcy parowania
rezystorów z diodami LED. Artykuï ten sugeruje stosowanie rezystorów charakteryzujÈcych siÚ rezystancjÈ 330 :. Zbyt wysoka rezystancja sprawi, ĝe dioda
LED bÚdzie ĂwieciÊ ciemniej, a rezystor zacznie siÚ
przegrzewaÊ. W takich sytuacjach naleĝy zastosowaÊ rezystor charakteryzujÈcy siÚ niĝszÈ rezystancjÈ.
Podczas pracy nad obwodami musisz zwracaÊ rówJeĝeli zastosujesz zbyt niskÈ rezystancjÚ, dioda LED
nieĝ uwagÚ na napiÚcie oraz natÚĝenie prÈdu. Jeĝeli
siÚ przepali. W takim przypadku naleĝy zastosowaÊ
urzÈdzenie bÚdzie zasilane zbyt sïabym prÈdem, to
rezystor charakteryzujÈcy siÚ wyĝszÈ rezystancjÈ.
nie bÚdzie dziaïaÊ poprawnie. Zasilanie urzÈdzenia
zbyt mocnym prÈdem moĝe doprowadziÊ do jego NastÚpnymi elementami obwodu sÈ przewodniki
przegrzania. NapiÚcie okreĂla iloĂÊ energii, która ïÈczÈce ze sobÈ róĝne komponenty. W przypadku
moĝe byÊ dostarczona przez ěródïo, a dokïadniej budowy obwodu dla zabawy komponenty moĝesz
róĝnicÚ potencjaïów pomiÚdzy dwoma punktami ïÈczyÊ za pomocÈ dowolnych izolowanych przewoobwodu. NatÚĝenie prÈdu (wyraĝane w amperach) dów, a takĝe taĂmy izolacyjnej. Lepiej jednak, abyĂ
okreĂla iloĂÊ energii, która moĝe przepïywaÊ przez ïÈczyï komponenty za pomocÈ krótkich przewodów
obwód w danej jednostce czasu. Jeĝeli wyobrazisz majÈcych z obu stron zaciski typu „krokodylki”, które
sobie, ĝe obwód elektryczny jest zamkniÚtym ukïa- pozwalajÈ na bïyskawiczne wprowadzanie zmian
dem hydraulicznym skïadajÈcym siÚ z rur wypeïnio- w obwodzie. Swoje pierwsze obwody na kartce
nych wodÈ, to napiÚcie moĝesz porównaÊ do ciĂnienia papieru moĝesz wykonaÊ doĂÊ szybko za pomocÈ
wody, a natÚĝenie do szybkoĂci, z jakÈ woda pïynie. metalicznej taĂmy, ale jeĝeli chcesz, aby poïÈczenia
pomiÚdzy komponentami byïy niezawodne, to naleĝy
je wykonaÊ za pomocÈ spoiwa lutowniczego.
Unikaj zwarcia — bezpoķredniego poĞâczenia ze sobâ biegunów baterii. Pomiödzy biegunami baterii zawsze umieszczaj jakiķ odbiornik prâdu. W przeciwnym wypadku bateria
bardzo szybko siö rozĞaduje, a w przypadku dĞugotrwaĞego zwarcia moŘe eksplodowaä lub pöknâä.
38
Kup książkę
Poleć książkę
Przeïam kod: rzutki
Najprostszym obwodem zawierajÈcym diodÚ LED jest
rzutka (Throwie). Jest to po prostu pïaska bateria
wïoĝona pomiÚdzy zïÈcza diody LED. Ich nazwa wziÚïa
siÚ stÈd, ĝe oryginalnie urzÈdzenia te zawieraïy maïy
magnes i byïy zaprojektowane tak, aby moĝna byïo
je rzucaÊ w kierunku metalowych powierzchni
mostów, rur lub drzwi ewakuacyjnych — rzutki
miaïy byÊ uĝywane do tworzenia ĂwiecÈcych komunikatów na poczekaniu. RozwiÈzanie to zostaïo opracowanego przez nowojorskie Graffiti Research Lab
w 2006 roku i zyskaïo duĝÈ popularnoĂÊ po opublikowaniu na ïamach witryny http://www.instructables.
com/.
Przydatne adresy: obwody elektryczne
Instruktaĝ budowy obwodów firmy SparkFun: https:// Elektronika. Od praktyki do teorii, Charles Platt, Helion,
learn.sparkfun.com/tutorials/what-is-a-circuit;
2015: http://helion.pl/ksiazki/elektronika-od-praktykido-teorii-charles-platt,eleodp.htm;
Jak dziaïajÈ obwody: http://science.howstuffworks.
com/environmental/energy/circuit.htm;
Getting Started in Electronics, Forrest M. Mims, Master Publishing, 2003: http://www.masterpublishing.
Podstawy elektroniki (serwis Science Buddies): http://
com/engineers_mini_notebook.html.
www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project_
ideas/Elec_primer-intro.shtml;
Przeïam kod: prawo Ohma
Jeĝeli zapytasz inĝyniera lub doĂwiadczonego konstruktora o obwody, to nie zdziw siÚ, ĝe osoby takie
mogÈ zaczÈÊ recytowaÊ prawo Ohma. Prawo to jest
równaniem opisujÈcym zaleĝnoĂÊ pomiÚdzy napiÚciem, natÚĝeniem i rezystancjÈ. Jeĝeli przy danym
napiÚciu rezystancja wzrasta, to natÚĝenie prÈdu
maleje. Wedïug prawa Ohma wielkoĂci te moĝna
obliczyÊ za pomocÈ równania U = I u R, gdzie U
symbolizuje napiÚcie wyraĝone w woltach, I natÚĝenie prÈdu wyraĝone w amperach, a R rezystancjÚ
wyraĝonÈ w omach. Innymi sïowy: napiÚcie równe
jest iloczynowi natÚĝenia i rezystancji.
Przy zbyt niskiej rezystancji przez obwód pïynie prÈd
o zbyt wysokim natÚĝeniu, a prÈd o zbyt wysokim
natÚĝeniu moĝe uszkodziÊ komponenty. Prawo Ohma
przydaje siÚ do obliczenia rezystancji, która pozwoli
na bezpieczne zasilenie komponentu. Jeĝeli znasz
napiÚcie panujÈce w obwodzie i wiesz, jakie jest
maksymalne dopuszczalne natÚĝenie prÈdu pïynÈcego
przez dany komponent, to stosujÈc prawo Ohma,
moĝesz obliczyÊ wïaĂciwÈ wartoĂÊ rezystancji.
PracujÈc nad projektami opisanymi w tej ksiÈĝce,
nie bÚdziesz musiaï dokonywaÊ ĝadnych obliczeñ,
ale gdy ktoĂ bÚdzie chciaï wytïumaczyÊ Ci prawo
Ohma, to bÚdziesz mógï siÚ do niego uĂmiechnÈÊ
i poinformowaÊ, ĝe juĝ je znasz.
Kup książkę
39
Poleć książkę
Projekt: zbuduj pompowanego robota
Pompowany robot lub pompowany element robota charakteryzuje siÚ miÚkkÈ, rozciÈgliwÈ powierzchniÈ
zewnÚtrznÈ i przynajmniej jednÈ wewnÚtrznÈ komorÈ powietrznÈ. Element tego typu moĝe siÚ poruszaÊ lub
zmieniaÊ ksztaït w zaleĝnoĂci od iloĂci powietrza znajdujÈcego siÚ w komorach.
Do czego to sïuĝy?
Pompowane roboty i elementy robotów sÈ tanie, lekkie, wytrzymaïe i mogÈ siÚ skïadaÊ. DziÚki temu ïatwo
jest je przechowywaÊ i przenosiÊ. Pompowane silniki, zwane równieĝ powietrznymi miÚĂniami lub sztucznymi pneumatycznymi miÚĂniami, pozwalajÈ robotom poruszaÊ siÚ w bardziej naturalny sposób od standardowych silników wyposaĝonych w przekïadnie.
SkÈd siÚ to wziÚïo?
Jeĝeli widziaïeĂ wyprodukowany przez wytwórniÚ Disneya film Wielka Szóstka, którego gïównym bohaterem
byï Baymax, to widziaïeĂ miÚkkiego, pompowanego robota w akcji. Pompowane roboty spotykane w rzeczywistoĂci sÈ inspirowane przez pompowane obiekty codziennego uĝytku. Saul Griffith — kalifornijski wynalazca,
publikujÈcy artykuïy na ïamach czasopisma „Make” — oraz jego firma Otherlab tworzÈ konstrukcje pompowane powietrzem, zwane pneubotami (zobacz rysunek 1.5), które swym wyglÈdem przypominajÈ nieco plaĝowe zabawki — sïonie. Ich wierzchnia powïoka zostaïa wykonana z materiaïu podobnego do tego, który
jest stosowany do wykonywania ogrodowych trampolin, a prototypy powietrznych pÚcherzy zostaïy wykonane
z gumowych dÚtek rowerowych. Roboty te sÈ miÚkkie, ale charakteryzujÈ siÚ duĝÈ wytrzymaïoĂciÈ. Model
o nazwie Ant-Roach moĝe przewoziÊ na swoim grzbiecie jednoczeĂnie kilka osób. Firma iRobot z Massachusetts — tam sama firma, która wykonaïa zautomatyzowany odkurzacz Roomba — pracuje nad pompowanymi wojskowymi robotami, które bÚdzie moĝna spïaszczyÊ, gdy wykonajÈ juĝ swojÈ pracÚ; ma to
umoĝliwiÊ przenoszenie robotów w plecaku. Wspomniany wczeĂniej bohater filmu Wielka Szóstka, Baymax,
zostaï zainspirowany pompowanym ramieniem robota opracowanym w Carnegie Mellon University w Pittsburgh.
RamiÚ to miaïo sïuĝyÊ do czynnoĂci pielÚgnacyjnych, takich jak karmienie niepeïnosprawnych pacjentów
40
Kup książkę
Poleć książkę
Rysunek 1.5. MiÚkkie, lekkie i silne — pneuboty, czyli pompowane roboty
½ródïo: Otherlab
w szpitalach. Naukowcy z Harvardu pracujÈ nad silikonowymi chwytakami (zobacz rysunek 1.6), które mogÈ
chwytaÊ przedmioty swoimi palcami, a takĝe nad konstrukcjami peïzajÈcymi na wielu nogach, które wyginajÈ
siÚ i poruszajÈ na skutek pompowania powietrza do okreĂlonych komór.
Rysunek 1.6. Silikonowy chwytak poruszany dziÚki sile pompowanego do niego powietrza podnosi nieugotowane jajko
Autor: Filip Llievski, Whitesides Group, Uniwersytet Harvarda (zdjÚcie podlega licencji CC BY-SA 4.0)
Kup książkę
41
Poleć książkę
Pneumatyczne miÚĂnie zostaïy wymyĂlone w 1957 roku przez fizyka jÈdrowego Josepha L. McKibbena na
poligonie atomowym w Los Alamos w stanie Nowy Meksyk. McKibben zostaï poproszony o stworzenie sztucznego miÚĂnia przypominajÈcego prawdziwe miÚĂnie. MiÚsieñ ten miaï pomagaÊ osobom z osïabionymi koñczynami, takim jak na przykïad jego chora na polo córka. Stworzyï rozwiÈzanie wykonane na bazie zbiornika
z dwutlenkiem wÚgla, który byï uĝywany do rozciÈgania i kurczenia gumowej rurki umieszczonej wewnÈtrz
rÚkawa wykonanego z tkaniny. Opracowany miÚsieñ byï bardzo silny — mógï podnosiÊ ciÚĝar 400 razy
wiÚkszy od wïasnego (dla porównania standardowy silnik prÈdu staïego zasilany bateriÈ moĝe w najlepszym
wypadku ciÈgnÈÊ ciÚĝar 16 razy wiÚkszy od wïasnego). Dzisiaj rozwiÈzanie to jest nadal stosowane w robotyce, a takĝe medycynie.
WiÚkszoĂÊ pneumatycznych miÚĂni jest wykonanych na bazie gumowej rurki, jednakĝe student mechaniki
Wyatt Felt stworzyï miÚsieñ wykonany ze zwyczajnego balonu do skrÚcania (tego typu balony sÈ uĝywane
do tworzenia konstrukcji przypominajÈcych zwierzÚta). W swoim projekcie Felt zastosowaï równieĝ sterowanÈ elektronicznie pompÚ powietrza, która moĝe zostaÊ zaprogramowana do pompowania balonu, a takĝe
spuszczania z niego powietrza.
Jak to dziaïa?
MiÚĂnie powietrzne dziaïajÈ dziÚki zmianie ciĂnienia znajdujÈcego siÚ wewnÈtrz nich powietrza. MiÚĂnie te
kurczÈ siÚ i rozciÈgajÈ podobnie jak prawdziwe miÚĂnie. ZdolnoĂÊ robota do wyginania siÚ, skrÚcania i rozciÈgania zaleĝy od materiaïów uĝytych do konstrukcji jego zewnÚtrznych powïok (zwykle sÈ to rozciÈgliwe
tkaniny lub gumy). TwardoĂÊ miÚĂnia zaleĝy od iloĂci znajdujÈcego siÚ w nim gazu lub powietrza. Przy niĝszych
ciĂnieniach wewnÈtrz miÚĂnia znajduje siÚ mniej gazu, którego czÈsteczki mogÈ poruszaÊ siÚ z ïatwoĂciÈ
podczas wywierania na miÚsieñ nacisku. Im wyĝsze ciĂnienie wewnÈtrz miÚĂnia, tym bardziej ĂciĂniÚte sÈ
czÈsteczki gazu, co powoduje wzrost sztywnoĂci miÚĂnia.
Przyjrzyjmy siÚ dÚtkom rowerowym. Rowery szosowe przeznaczone sÈ do szybkiej jazdy po drogach
utwardzonych, ich opony sÈ zwykle pompowane do ciĂnienia okoïo 9 barów (bar jest jednostkÈ ciĂnienia).
Opona roweru szosowego po napompowaniu do takiego ciĂnienia jest na tyle twarda, ĝe nie da siÚ jej wgiÈÊ,
naciskajÈc na niÈ kciukiem. Rowery górskie sÈ przeznaczone do jazdy po nierównym terenie, a wiÚc ich
dÚtki sÈ pompowane do niĝszego ciĂnienia, oscylujÈcego w granicach 3 – 4,5 bara, dziÚki czemu trudniej
o ich przebicie. Ta sama zasada odnosi siÚ do ramienia robota stworzonego przez Otherlab. RamiÚ to po
napompowaniu do okoïo 14 barów moĝe podnieĂÊ czïowieka, ale przy ciĂnieniu 1,4 bara moĝe podnieĂÊ juĝ
tylko jednÈ piÈtÈ tej masy.
MiÚĂnie skonstruowane zgodnie z projektem opracowanym przez McKibbena sÈ wyposaĝone w wewnÚtrznÈ,
rozciÈgliwÈ dÚtkÚ, która jest umieszczona wewnÈtrz rÚkawa wykonanego z plecionej tkaniny. Jeden koniec
rurki jest uszczelniany, a na drugim jej koñcu znajduje siÚ zawór umoĝliwiajÈcy przepïyw powietrza. Pleciony
rÚkaw dziaïa jak chiñska puïapka na palce, która zaciska siÚ podczas rozciÈgania, a luzuje, gdy oba jej koñce
sÈ do siebie zbliĝane. Gdy miÚsieñ znajduje siÚ w pozycji wyjĂciowej, to pleciony rÚkaw jest dïugi i cienki.
RÚkaw jest wypeïniony gumowÈ rurkÈ, która pÚcznieje po wpompowaniu do niej powietrza, co powoduje poszerzenie rÚkawa i zbliĝenie do siebie koñców miÚĂnia.
Pneumatyczny chwytak opracowany w Harvardzie przypomina swojÈ konstrukcjÈ prawdziwe miÚĂnie. Zamiast
jednej duĝej komory powietrznej, jego miÚkki, pïaski korpus zawiera wiele wÈskich kanaïów powietrznych.
Chwytak majÈcy ksztaït rozgwiazdy wykonano, wlewajÈc pïynnÈ gumÚ silikonowÈ do formy i czekajÈc na jej
zastygniÚcie. Otrzymano w ten sposób giÚtkie ciaïo staïe wypeïnione sieciÈ komór powietrznych, które po
napompowaniu sprawiajÈ, ĝe chwytak wygina siÚ jak chwytak stosowany w automatach do ïapania zabawek.
Po napompowaniu powietrza palce chwytaka zginajÈ siÚ do doïu i sÈ w stanie objÈÊ dowolny przedmiot
znajdujÈcy siÚ pod chwytakiem.
42
Kup książkę
Poleć książkę
MiÚsieñ oparty na balonie do modelowania opracowany przez Wyatta Felta porusza siÚ w nieco inny sposób.
MiÚsieñ ten, w przeciwieñstwie do konstrukcji McKibbena, pcha, a nie ciÈgnie. Kiedy spuĂci siÚ powietrze
z balonu peïniÈcego funkcjÚ komory powietrznej miÚĂnia Felta, miÚsieñ ten staje siÚ krótki i wÈski. Kiedy siÚ go
napompuje, miÚsieñ staje siÚ grubszy i dïuĝszy. Model zaprezentowany przez Felta byï wyposaĝony w elektronicznie sterowanÈ pompÚ majÈcÈ zawór dolotowy i wylotowy. Podczas prezentacji miÚĂnie napÚdzaïy
„nogi” wykonane z wygiÚtych plastikowych elementów. Koñczyny te byïy prostowane na skutek dziaïania
miÚĂnia. Jednakĝe w przypadku pierwszego prototypu struktura nóg i miÚsieñ byïy wykonane z balonów
pompowanych za pomocÈ rÚcznej pompki.
Wykonanie projektu
Poniĝszy projekt jest oparty na prototypie miÚĂnia wykonanego przez Wyatta Felta na bazie balonu do modelowania. Nieco zmodyfikowaliĂmy projekt Felta. Zamiast nóg, które zginajÈ siÚ i prostujÈ, zbudujemy projekt,
w którym bÚdziemy zamykaÊ i otwieraÊ mechanizm Sarrusa — parÚ zawiasów ustawionych wzglÚdem siebie pod
kÈtem prostym (rozwiÈzanie tego typu zastosowano w robotach takich jak na przykïad RoACH, bazujÈcych
na otwierajÈcych siÚ papierowych konstrukcjach). W zaprezentowanej zmodyfikowanej wersji miÚĂnia Felta
zastosowano mechanizm zaworu rozluěniajÈcego miÚsieñ, którego wykonanie zajmuje zaledwie minutÚ.
Parametry projektu
x Czas potrzebny na wykonanie projektu: 1 godzina;
x Koszt: mniej niĝ 40 zï;
x TrudnoĂÊ: ïatwy;
x Bezpieczeñstwo: uwaĝaj na pÚkajÈce balony!
Co musisz wiedzieÊ?
x Posiadane przez Ciebie umiejÚtnoĂci: nadmuchiwanie balonów.
x UmiejÚtnoĂci, których nabÚdziesz podczas pracy nad projektem: techniki skrÚcania balonów.
Materiaïy niezbÚdne do wykonania projektu
x Balony do modelowania (znajdziesz je w sklepach z artykuïami imprezowymi);
x RÚczna pompka do balonów;
x GiÚtka winylowa rura o Ărednicy 0,5 cm (produkt dostÚpny w sklepach budowlanych);
x TaĂma izolacyjna;
x Noĝyce.
Wskazówki
Krok 1. Lista wymagañ
PracujÈc nad tym projektem, chcemy stworzyÊ miÚkki, ruchomy element robota, w którym pompowane
gumowe materiaïy bÚdÈ peïniïy funkcjÚ elementu generujÈcego siïÚ oraz elementu bÚdÈcego obudowÈ.
Krok 2. Planowanie projektu
Projekt nie wymaga jakiegoĂ szczególnego planowania, o ile nie bÚdziesz chciaï rozbudowywaÊ projektu, korzystajÈc z sugestii umieszczonych w dalszej czÚĂci tego rozdziaïu. Balony, podobnie jak inne
nadmuchiwane rzeczy, nie sÈ wytrzymaïe, wiÚc zaopatrz siÚ w ich zapas.
Kup książkę
43
Poleć książkę
Krok 3. Zatrzymaj siÚ, powtórz i poszukaj pomocy
Prawdopodobnie nie zdziwi CiÚ to, ĝe ludzie tacy jak Erik Demaine z Instytutu Technologicznego w Massachusetts zginali balony na podstawie przeprowadzonych wczeĂniej obliczeñ matematycznych. WiÚcej
informacji na ten temat znajdziesz w artykule napisanym przez Damaine’a i miïoĂniczkÚ matematyki
i muzyki — Vi Hart (zobacz ramka „Przydatne adresy: pompowany robot”).
Krok 4. Budowa prototypu
Aby zbudowaÊ miÚsieñ z balonu, wykonaj nastÚpujÈce czynnoĂci:
1. Za pomocÈ pompki rÚcznej napompuj dwa balony (na koñcach balonów pozostaw nienapompowane
odcinki o dïugoĂci 10 – 12 cm). Nienapompowany fragment kaĝdego z balonów moĝna okreĂliÊ mianem jego czubka. OdïÈcz pompkÚ od balonów i wypuĂÊ z nich nieco powietrza (odgïos wydawany
przez balony podczas wykonywania tej czynnoĂci moĝe byÊ okreĂlony mianem bekania). Nienapompowany fragment balonu uïatwia skrÚcanie balonu i zapobiega jego pÚkniÚciu. Wykonaj wÚzeï
uszczelniajÈcy koniec balonu. Praktyczna wskazówka: balon naleĝy rozciÈgnÈÊ kilkukrotnie przed
napompowaniem.
2. ChwyÊ jeden z balonów okoïo 8 cm od wÚzïa. SkrÚÊ go trzy razy. TÚ samÈ czynnoĂÊ wykonaj
z drugim balonem, a nastÚpnie poïÈcz oba balony, splatajÈc je razem w miejscach, w których zostaïy
wczeĂniej skrÚcone.
3. W celu wykonania zawiasu z pierwszego balonu zegnij go w póï. W miejscu zgiÚcia chwyÊ w palce
czÚĂÊ balonu o wielkoĂci piïki do golfa.
SkrÚÊ balon trzykrotnie, obracajÈc nim tak, jakby byï tarczÈ telefonu. Miejsce zgiÚcia obróÊ wokóï
wïasnej osi o 360°. Zawias powinien wyglÈdaÊ jak zgiÚte kolano. Opisane czynnoĂci wykonaj jeszcze
raz — z drugim balonem.
4. ZwiÈĝ ze sobÈ czubki balonów — skorzystaj z nienapompowanego nadmiaru gumy. Okoïo 1 cm nad
pierwszym wÚzïem zawiÈĝ drugi. Balony powinny utworzyÊ ksztaït diamentu z zawiasami na Ărodku.
5. Wytnij winylowÈ rurkÚ o dïugoĂci okoïo 25 cm. Wykonaj zawór do spuszczania powietrza. Natnij
rurkÚ za pomocÈ noĝyc lub noĝa. NaciÚcie powinno siÚgaÊ do jej poïowy. Uwaĝaj, aby nie przeciÈÊ
caïej rurki. NaciÚcie powinno otwieraÊ siÚ po wygiÚciu rurki do tyïu. Wytnij pasek taĂmy izolacyjnej
44
Kup książkę
Poleć książkę
Kup książkę
45
Poleć książkę
o dïugoĂci okoïo 5 cm i oklej nim naciÚcie. Na koñcu paska taĂmy wykonaj zakïadkÚ umoĝliwiajÈcÈ
odklejenie taĂmy i odsïoniÚcie naciÚcia. Powietrze moĝna wypuĂciÊ z rurki, wyginajÈc jÈ do tyïu. Po
wypuszczeniu powietrza otwór moĝna ponownie uszczelniÊ za pomocÈ odklejonego wczeĂniej kawaïka
taĂmy izolacyjnej. SzczelnoĂÊ zaworu moĝesz sprawdziÊ za pomocÈ pompki.
6. Jeden z koñców rurki wïóĝ w otwór pomiÚdzy dwoma wÚzïami wykonanymi w punkcie 3. Weě trzeci
balon, napompuj go, a nastÚpnie wypuĂÊ z niego powietrze. To jest Twój pneumatyczny miÚsieñ. Nasadě
otwarty koniec balonu tworzÈcego miÚsieñ na koniec rurki, który znajduje siÚ pomiÚdzy wÚzïami.
Balon powinien byÊ nasuniÚty na okoïo 2 cm rurki. Zabezpiecz naïoĝony balon za pomocÈ taĂmy
izolacyjnej.
7. ChwyÊ górne i dolne ranty rombu i przyciĂnij je do siebie. To wïaĂnie ten ruch bÚdzie wykonywany
przez Twój pneumatyczny zawias. Zdecyduj siÚ na to, jak bardzo te elementy majÈ siÚ zbliĝaÊ do siebie,
a nastÚpnie przywiÈĝ czubek balonu tworzÈcego miÚsieñ do czubków dwóch pozostaïych balonów.
46
Kup książkę
Poleć książkę
8. Zaïóĝ wolny koniec rurki na koñcówkÚ pompki (postaraj siÚ wsunÈÊ koñcówkÚ pompki jak najdalej). W razie potrzeby zabezpiecz to poïÈczenie za pomocÈ taĂmy izolacyjnej.
Krok 5. Sprawdzanie dziaïania prototypu
Powoli i ostroĝnie napompuj balon miÚĂnia za pomocÈ pompki. MiÚsieñ pod wpïywem wtïaczanego
powietrza powinien otwieraÊ zawias wykonany z pozostaïych balonów. Aby zamknÈÊ zawias, wypuĂÊ
powietrze z balonu miÚĂnia, korzystajÈc z zaworu spustowego — usuñ taĂmÚ izolacyjnÈ z naciÚcia, a nastÚpnie zegnij rurkÚ tak, aby naciÚcie otworzyïo siÚ. Po spuszczeniu powietrza balon powinien skurczyÊ siÚ —
jego dïugoĂÊ bÚdzie taka sama, jak przed napompowaniem.
Krok 6. Usuwanie usterek i dopracowywanie prototypu
Jeĝeli pompowanie balonu sprawia Ci problemy, to sprawdě dziaïanie pompki na innym, nieuĝywanym
wczeĂniej balonie. Tanie pompki psujÈ siÚ doĂÊ ïatwo. Sprawdě szczelnoĂÊ balonu.
Kup książkę
47
Poleć książkę
Krok 7. Modyfikacja i rozbudowa
Wykonaj pozostaïe elementy robota.
Do wykonanego elementu robota dodaj pozostaïe elementy takie jak korpus, ramiona i gïowa
(w ramce „Przydatne adresy: pompowany robot” znajdziesz adres przewodnika, który przeprowadzi
CiÚ przez ten proces). Moĝesz równieĝ popracowaÊ nad obliczeniami zwiÈzanymi z konstrukcjÈ
balonowego modelu.
Wykonaj rozdzielacz umoĝliwiajÈcy jednoczesnÈ aktywacjÚ kilku mechanizmów robota.
Weě krótki kawaïek rurki i wykonaj w nim otwór o ksztaïcie rombu, w którym zmieĂci siÚ nastÚpny
kawaïek rurki. Jeĝeli chcesz jednoczeĂnie pompowaÊ wiÚcej elementów, to moĝesz wykonaÊ wiÚcej otworów. W kaĝdy z wykonanych otworów wsadě kawaïek rurki. Utwory z rurkami uszczelnij za
pomocÈ masy plastycznej lub uniwersalnej klejarki pistoletowej — zapobiegnie to uciekaniu powietrza z ukïadu.
Wykonaj miÚsieñ zaprojektowany przez McKibbena.
Wïóĝ skrÚcony balon w chiñskÈ puïapkÚ na palce lub w krótki, pleciony i rozciÈgliwy rÚkaw (rolÚ takiego
rÚkawa moĝe peïniÊ na przykïad siatka do kabli lub wspomniana wczeĂniej zabawka do Êwiczenia
palców). W ramce „Przydatne adresy: pompowany robot” znajdziesz adres instruktaĝowego materiaïu zamieszczonego w serwisie YouTube.
Za pomocÈ drukarki 3D wykonaj silikonowy chwytak.
WiÚcej informacji na temat druku 3D znajdziesz w rozdziale 2. Instrukcje dotyczÈce budowy chwytaka
znajdziesz w materiale instruktaĝowym opublikowanym przez Bena Finio.
Przydatne adresy: pompowany robot
Siïownik pneumatyczny wykonany na bazie balonów, Dylan Gelinas — instruktaĝ budowy prostych robozaprojektowany przez Wyatta Felta: http://www. tów z balonów: https://www.youtube.com/watch?v=
instructables.com/id/Twisty-Balloon-Pneumatic- I2m8Ik8QS5w;
Actuator/;
Phil Teare — instruktaĝ budowy miÚĂnia McKibbena:
Vi Hart — matematyka i balony (PDF): http://archive. https://www.youtube.com/watch?v=cc5Ge49eL2A;
bridgesmathart.org/2010/bridges2010-515.pdf;
Instruktaĝ budowy silikonowego chwytaka zaproPodstawy skrÚcania balonów: http://www.professor jektowanego na Uniwersytecie Harvarda: http://www
wonder.com/twists.htm;
.instructables.com/id/Air-Powered-Soft-RoboticGripper/.
48
Kup książkę
Poleć książkę
Skorowidz
A
aeroĝel, 21
animacja, 182
Arduino, 121, 163
B
baterie, 166
BEAM, 93
aspekt biologiczny, 93
aspekt elektroniczny, 93
aspekt estetyczny, 93
aspekt mechaniczny, 93
Beatty Robotics, 9
biblioteka TinyWireM, 179
biotensegrity, 54
C
CAD, 68
chatbot, 116–120, 132
CNC, 65
czujnik, 125, 127
Ăwiatïa, 152
D
DASH, 25
diagram doliny niesamowitoĂci, 135
dioda, 99
póïprzewodnikowa, 100
dolina niesamowitoĂci, 133, 134, 143
dron, 49
drukarka 3D, 48, 64, 82
druty, 166
dziaïanie chatbota, 125, 132
E
e-tekstylia, 161
F
faza
austenityczna, 25
martenzytu, 25
FiberBot, 164
firma Adafruit, 168
Flexinol, 26
frezarki CNC, 65
201
Kup książkę
Poleć książkę
G
M
jÚzyk Scratch, 121
jÚzyki programowania, 121
magiczny dym, 98
materiaïy, 19
mazaki suchoĂcieralne, 152
M-Blocks, 84
mechanizm
Sarrusa, 24, 43
Strandbeest, 85
metoda na pajÈka, 105
miÚsieñ McKibbena, 48
mikrokontroler
Adafruit Gemma, 164
Arduino, 164
Gemma, 169, 171
model biotensegrity, 54
modelina, 138
moduïy
littleBits, 55, 60, 152
M-Blocks, 84
mostek, 97
K
N
generator
impulsów, 152
losowych impulsów, 152
grot lutownicy, 97
H
hybryda kóï i nóg, 63
I
informacje dotyczÈce obwodów, 37
instalowanie sterownika, 176
J
karbonowe nanorurki, 21
knot rozlutowniczy, 96
koïa
typu Wheg, 67
z nogami, 64
komunikat bïÚdu, 177, 179
kondensator
elektrolityczny, 100
monolityczny, 100
tantalowy, 100
walcowy, 100
konstrukcje naprÚĝeniowo-integralne, 52, 62
kopia twarzy, 138
kwadrokopter, 49
L
lutowanie, 95, 98
lutownica, 96

ïÈczenie metodÈ na pajÈka, 105
202
Kup książkę
napÚd naprÚĝeniowo-integralny, 51, 52
narzÚdzie Alice, 121
nitinol, 21, 25
O
obwody elektryczne, 37, 39
ogniwo fotowoltaiczne, 100
okulary ochronne, 96
oprogramowanie CAD, 68
P
pamiÚÊ ksztaïtu, 19, 21
panele fotowoltaiczne, 108
papier origami, 37
papierowa robotyka, 34
peïzajÈca klapka, 33
pÚtla, 127
Plotclock, 148
ploter, 146, 161
littleBits, 150
pïytka
Arduino, 163
Gemma, 173
Skorowidz
Poleć książkę
pïyty montaĝowe littleBits, 160
poïÈczenia elektryczne, 37
pompowany robot, 48
porady dotyczÈce nauki, 198
potencjometr, 59
prawo Ohma, 39
problem komiwojaĝera, 149
program
Ardublock, 122
LabVIEW, 121
Tinkercad, 70
programowanie
robotów, 121
wizualne, 133
projekt
budowa plotera, 146
budowa robota BEAM, 92
hybryda kóï i nóg, 62
podobizna w dolinie niesamowitoĂci, 133
poruszajÈcy siÚ papier, 21
program bÚdÈcy chatbotem, 117
robot wibracyjny, 86
robot z napÚdem naprÚĝeniowo-integralnym, 51
zbuduj pompowanego robota, 40
projekty otwarte, 60
przestrzeñ skryptu, 124
Q
tworzÈcy naleĂniki, 66
wibracyjny, 86
zasilany energiÈ sïonecznÈ, 92
zbudowany z moduïów littleBits, 60
roboty i sztuka, 146
rozmowa z chatbotem, 132
rzutki, 39
S
Scratch, 121, 124
sejsmograf, 148
serwomotor, 150
silnik, 109
prÈdu staïego, 100
siïownik, 20
skïadajÈcy siÚ plastik, 20
skrypt chatbota, 125
spiekanie, 65
spoiwo lutownicze, 96
statyw lutownicy, 96
sterownik, 176
stopnie mobilnoĂci, 24
struktura naprÚĝeniowo-integralna, 53
szczypce póïokrÈgïe, 96
szkic, 163
animacji oka, 183
Blink, 179
Quattroped, 62
¥
R
rezystancja, 37
robot
badawczy i przemysïowy, 116
BEAM, 92
Colour Chaser, 145
Geminoid HI-4, 136
Hanako 2, 134
modularny, 84
moduïowy, 85
origami, 23
Plotclock, 153
poruszajÈcy siÚ, 49, 51
poruszajÈcy siÚ dziÚki drganiom, 92
ĂlizgajÈcy siÚ, 87, 92
towarzyski, 117
Skorowidz
Kup książkę
Ăcieĝka, 29
T
taĂma piankowa, 89
technologia motion capture, 134
termoplastyczny filament, 65
Tinkercad, 70
menu Adjust, 79
menu Design, 80
menu Geometric, 76
menu Helpers, 76
menu Shape Generators, 72
okno Inspector, 76, 81
opcja Align, 79
opcja Duplicate, 77
opcja Extrusion, 72
203
Poleć książkę
opcja Snap, 73
opcja Snapping, 71
pole Inspector, 72
przycisk Edit Grid, 71
zakïadka Geometric, 70, 71
zakïadka Holes, 77
tranzystor NPN, 100
triskelion, 63
twarz, 138
W
WaterColorBot, 148
wiatroïap, 101
wïÈcznik napiÚciowy, 100, 102
wyglÈd robotów, 115
wykonywanie Ăcieĝek, 29
wyraĝenia, 129
wyĂwietlacz diodowy, 165, 168, 171
U
ukïad odwracajÈcy fazÚ, 152
204
Kup książkę
Z
zagnieĝdĝanie, 124
Skorowidz
Poleć książkę

Budowa prostych robotów. Niezwykłe projekty ze zwykłych - Abc-rc

Transkrypt

Podobne dokumenty

Tajski epizod z dreszczykiem

Sekrety mistrza fotografii cyfrowej. Nowe spojrzenie

Facet 2.0. Droga do fizycznej i mentalnej przemiany

Jak wziąć udział w loterii