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民间高手3D打印制作星球大战机器人BB-8

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(原标题:民间高手3D打印制作星球大战机器人BB-8)


第1页:揭开BB-8的身世之谜

【中关村在线办公打印频道原创】看过《星球大战》的朋友们,对电影中的那个圆滚滚的BB-8机器人一定不会陌生,自官方预告片首发之后,因其结构奇特、行为呆萌而受到很多粉丝的欢迎。作为科幻大片,《星球大战》中的机器人不止一个,此前的R2-D2已经成为一个时代的符号。不过,BB-8之所以受到如此热烈欢迎,不仅因为其存在于电影中,还因为它确确实实存在于现实当中。而且利用3D打印技术就能制作出来。



民间高手3D打印制作星球大战机器人BB-8

《星球大战:原力觉醒》由迪斯尼出品,而迪斯尼最擅长的就是将虚拟的创作作品现实化。在电影上映前,迪斯尼就联合玩具公司Orbotix打造了一个一模一样的BB-8,只不过这个体型较小,直径只有7.4厘米左右,高为11.5厘米,净重量不到200克。


《星球大战:原力觉醒》中的BB-8机器人

Orbotix原来只是一家名不见经传的公司,后来因为生产出一款智能机器球Sphero而被迪斯尼选中,这款机器球可以用智能手机来控制。打开设备的蓝牙功能,搜索到 Sphero智能小球后,你就可以充分发挥想象力去实现一些有趣的玩法,比如楼梯上运行弹跳动作或在地板上行走超过一个小时。


智能机器球Sphero,据说是BB-8机器人的前身

这个机器后来就成为BB-8的身体,能够灵活快速地行动。BB-8的脑袋是一个半圆球,不过,两者之间看起来可以相互脱离但又无法脱离,像是仅仅吸附在了一起。正因如此,BB-8的“身体”才能够不受限制轻松地向前“滚”。


智能机器球Sphero的内部构造

在电影中,BB-8的被牢牢地控制着,而在现实中,如果想把BB-8做的跟电影中的一模一样,确实不太容易,无论是搞懂工作原理还是进行外壳制作,都需要动一番脑筋才行。


第2页:揭秘BB-8的工作原理

Techcrunch在最新的一篇报道中曝光了Sphero的一份专利,从而揭露了BB-8的工作原理,与之前外界一直猜测的结果完全不同。之前,人们一直以为BB-8两个球之间是相互独立工作的,两个内部齿轮为机器人提供动力,通过对配重块的调整保持平衡,当头部使用磁性单元和球内的传感器进行接触交互之后,能够知道哪个位置是向上哪个位置是前进,BB-8全局能够自动调整头部且不会脱落。不过事实上,专利显示,BB-8的两个球是一体的。




磁性耦合的自走式装置


在这份名为“磁性耦合的自走式装置”专利中,球体的内部会有一个重力装置,由两个轴轮马达与一个保存垂直的桅杆组成。轴轮马达在运动的过程中,会让球体重心发生偏移,从而影响球体的运动。简单来说,它的工作原理跟太空球类似,当有物体进入时,通过改变位置会导致球体的重心发生变化,从而让球旋转并向前运动。


BB-8的滚动原理与太空球很相似

说到头的部分,很多人以为它是在不断地向后运动来让自己保持向上的状态,但实际上它采用了磁悬浮技术,在BB-8的身体内部的桅杆上装有磁铁,所以,它始终能够与球体重心保持在同一个水平线上。所以,我们看到,在BB-8运动过程中,它通常是倾斜的,因为重心在行进中总是倾斜的。另外,BB-8的头部旋转部分,可以通过添加电动机、传感器来实现。

将BB-8拆开后,您将看到这样的画面……


由于重心在行进过程中总是倾斜的,所以BB-8运动过程中通常是倾斜的

关于操控,BB-8可以由终端设备进行远程操控,结合手机APP控制它在房间内的动作和方向。它甚至还能依靠语音控制,开启巡逻模式。它会像一个宠物机器人一样,在家里自动寻找路线行走,目前好像只支持iOS版本的APP。

民间高手3D打印制作星球大战机器人BB-8

除此之外,另外一名创客Zarick,在这个3D打印BB-8机器人设计的基础上进行了修改,力图让模型更加逼真。最终的结构是非常让人惊讶的——不仅滚动起来与电影中的一模一样,就连闪烁的灯光、滴滴的电子蜂鸣声都跟真的一样。那么,Zarick是怎样做到的呢?


当然,Zarick是站在巨人的肩膀上的。他使用了BB-8建设者俱乐部已经建好的3D打印CAD文件来构建机器人的头部。填充率设置为100%(实心的),使用的是Replicator 2X 3D打印机,使用耗材为PLA,至于BB-8的身体,则是一个20英寸的球体,用PC材料做的。


MakerBot Replicator 2X 3D打印机

这个设计最具挑战性的部分在于其头部,怎样让半球形的头部在圆球形的身体上滚动才是最关键的。据Zarick介绍,他用磁铁将其半球形的头部与圆球形的身体相连接,并在头部的下面放了一个磁铁,另一个磁铁则放在其球形身体的一个柱子上。


(图源:雷锋网)

Zarick对BB-8项目的最大贡献在于其传动系统。其他创客在解决其运动问题时,往往会采用“仓鼠轮(hamster wheel)”设计,为了让机器人灵活移动,他们使用了一个带配重的单轴,然后您会看到一个马达在球体里驱动一套轮子,进而驱动轮子推动其身体,就像一个仓鼠在驱动仓鼠球一样。


(图源:雷锋网)

“仓鼠轮(hamster wheel)”设计实际上是迪斯尼推出的BB-8玩具的设计方式,有两个轮子连接到一个沉重的电子模块上,驱动着这个小型的遥控装置前进。其底部保持着球的水平,而一个桅杆式的东西通过磁铁与头部连接。下面则连着一个水平轴,这个轴连接着两个轮子。不过,在Zarick看来,这种设计需要处理太多的重量问题,并不是最佳的设计。


而Zarick的设计则要简单得多了,他的基本设计架构是靠一个单轴,在机器人的球形身体里驱动,用平衡锤挂在它的下面,而在重量的另一端则是磁铁,将BB-8的头部吸引到身体上。当一台电机在朝着一个方向旋转该平衡锤的时候,整个身子却朝着另外一个方向滚动。这样,Zarick的系统就比上面的设计简单多了。


(图源:雷锋网)

Zarick设计的BB-8内部机械结构由少数电机、支架、轴承、轴和滑轮,其它都用CNC机床和铝材加工而成,为了支持驱动BB-8的重量,还特意加工了一个架子,并使其与系统的主桅杆平衡。有一个旋转电机会在桅杆的中心将机构向一个方向旋转,而球则会向相反的方向滚动。


滚啊滚,滚个不停……

得益于其身体内部的配重,BB-8的头部会在球体的表面滑动,不过为了让它的头部能够自己旋转起来,Zarick还专门设置了一个连续服侍电机,并将其连接到控制BB-8头部的磁铁上,该电机转动时,磁铁也会旋转,从而带动其头部转动。

3D打印的部件

在遥控模块,Zarick购买了一个带无线数据交换天线的XBee模块,并将其与一个Arduino Pro Mini连接。其他需要准备的部件包括锂电池、一些电子适配器和一对摇杆,所有这些部件都被安装在一个3D打印的外壳里。另外Zarick还专门写了几段Arduino代码使整个系统都能够完美运行。


Zarick从设计、规划到制造完成,总共花去了大约2个月的时间,花费成为约为3000美元,不过,由于这是他第一次尝试制作BB-8,其中浪费了不少冤枉钱,这个BB-8的真实成本可能只有1500-2000美元。

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