Carpentopod: dự án bàn cà phê biết đi
(decarpentier.nl)- Phần mềm tạo cơ cấu đi bộ làm như một sở thích đã dẫn tới việc chế tạo điện tử và mộc, rồi được hiện thực thành bàn cà phê gỗ điều khiển từ xa không dây Carpentopod
- Cấu trúc liên kết của chân được chọn bằng cách cho hàng nghìn biến thể ảo tiến hóa cạnh tranh với nhau, với các tiêu chí lựa chọn là tốc độ đi bộ, khoảng hở mặt đất, lượng vật liệu sử dụng và quỹ đạo đầu chân
- Dù trông giống Strandbeest của Theo Jansen, nó dùng tỷ lệ bộ phận khác, thêm điểm khớp và đường kính đầu chân tròn để hướng tới cấu trúc gọn hơn và ít trượt hơn
- Bản chế tạo thực tế gồm thiết kế bằng Autodesk Fusion 360, gia công CNC tre ép lớp, hơn 100 chi tiết bằng tre, ổ bi, trục thép, trục khuỷu nhôm, cùng điều khiển vòng kín dựa trên động cơ brushless 24V và Arduino Nano
- Cấu trúc liên kết được phát hành vào public domain, nhưng thiết kế chiếc bàn thì không; việc tự chế cho mục đích cá nhân hoặc giáo dục được cho phép, còn chia sẻ hay bán bản vẽ, kit hoặc sản phẩm thì cần có chấp thuận bằng văn bản
Chiếc bàn biết đi bắt đầu từ phần mềm
- Carpentopod bắt nguồn từ phần mềm tạo cơ cấu đi bộ được làm như một sở thích vào năm 2008
- Sau đó, khi học thêm về điện tử và nghề mộc, tác giả đã hiện thực một trong những cơ cấu tạo bằng phần mềm thành chiếc bàn cà phê gỗ biết đi điều khiển từ xa không dây
- Tên gọi được ghép từ tiếng Latin
carpentumvàpod, nghĩa là bàn chân hoặc chân
Liên kết chân được tạo bằng tiến hóa
- Cấu trúc liên kết chân được tạo bằng phần mềm cho hàng nghìn biến thể chân ảo cạnh tranh với nhau
- Mỗi biến thể nhận điểm độ thích nghi theo các tiêu chí sau
- tốc độ đi bộ
- khoảng hở với mặt đất
- lượng vật liệu sử dụng
- mức độ đầu chân chuyển động ngang hơn và mượt hơn trong 1/3 thấp của chu kỳ
- Lý do thưởng cho quỹ đạo đầu chân là để ưu tiên các lời giải giúp giảm dao động lên xuống và trượt chân khi ba chân chuyển động cùng nhau
- Chỉ các cá thể có điểm cao mới được dùng để tạo tham số chân cho thế hệ tiếp theo, và đột biến di truyền cũng được thêm định kỳ để tìm lời giải mới
- Tác giả còn viết cả bộ giải động học bằng C++ để có thể cho tiến hóa hàng chục thế hệ mỗi giây, qua đó quan sát quá trình các thiết kế ban đầu kém hiệu quả được tối ưu hóa dần
- Liên kết Carpentopod cuối cùng được chọn sau khi chạy các mô phỏng lớn hơn và dài hơn
Khác biệt với Strandbeest
- Liên kết chân của Carpentopod có hình thức tương tự tác phẩm điêu khắc Strandbeest của Theo Jansen
- Khác biệt nằm ở tỷ lệ bộ phận, điểm khớp bổ sung và đường kính đầu chân tròn thu được từ quá trình tiến hóa
- Những tham số bổ sung này được dùng để tìm ra lời giải gọn hơn và ít trượt chân hơn
- Trượt chân xảy ra khi vận tốc của nhiều đầu chân chạm đất không hoàn toàn khớp nhau, và trong cấu trúc thực tế các chân có thể làm chậm lẫn nhau
- Chân Strandbeest đôi khi dùng đầu chân mềm hoặc lăn để bù một phần hiệu ứng này
Thiết kế cấu trúc chiếc bàn
- Trước khi chế tạo bản thật, tác giả đã làm mô hình nhỏ bằng phiên bản đầu của liên kết tiến hóa để thử nghiệm CNC và kỹ thuật chế tạo
- Sau đó, tác giả quyết định làm một vật thể bàn cà phê gỗ biết đi vừa tương đối thực dụng vừa đẹp mắt
- Mỗi chân của Carpentopod chỉ chạm đất trong 1/3 chu kỳ đi bộ, nên để bàn luôn ổn định thì cần tổng cộng 12 chân
- Để đi mượt, các chi tiết chân phải được chế tạo với độ chính xác dưới milimét và duy trì được trạng thái đó
- Các chi tiết chân được thiết kế để gia công CNC từ tấm tre ép lớp vì vật liệu này chắc, tự nhiên, bền và ổn định
- Tất cả các bộ phận của bàn đều được thiết kế bằng Autodesk Fusion 360
- mô hình hóa
- thử nghiệm
- render
- chuẩn bị CNC
- Trong phần mềm có thể xem trạng thái hoàn thiện tại bất kỳ thời điểm nào của chu kỳ đi bộ, nên rất dễ chỉnh thẩm mỹ và kiểm tra khoảng hở
Thân giữa chứa điện tử và truyền động
- Giữa hai nhóm sáu chân ở hai đầu có một khoang bụng rỗng ở giữa để đặt điện tử, động cơ và pin
- Khung và khoang bụng được thiết kế cong như một chiếc rương kho báu lật ngược để tránh hình dáng góc cạnh
- Vì hình dạng này nên có người nói nó giống The Luggage trong tiểu thuyết Discworld của Terry Pratchett
- Khoang bụng trung tâm khiến toàn bộ các chân nằm cách tâm một khoảng nhất định, nhờ đó tham gia quay hiệu quả hơn
- Mỗi nhóm sáu chân được nối vào trục khuỷu riêng, và mỗi trục khuỷu được dẫn động bởi một động cơ
- Nhờ cấu trúc này, chỉ cần hai động cơ điều khiển độc lập là có thể điều khiển tiến và quay như xe tăng
Chế tạo CNC và gia công gỗ
- Trong quá trình làm chiếc bàn thật, để có độ chính xác và thuận tiện khi lặp lại, tác giả đã làm càng nhiều chi tiết bằng CNC càng tốt
- Thiết bị dùng là một máy phay CNC 3 trục giá rẻ
- CNC 3 trục chỉ có thể loại bỏ vật liệu từ phía trên, nên các chi tiết chân cần hình dạng phức tạp và phần lõm được làm bằng cách gia công CNC riêng ba lớp tre ép rồi dán lại với nhau
- Ngay cả một chi tiết cũng phải gia công nhiều lần bằng dụng cụ có kích thước và hình dạng khác nhau, và đôi khi phải lật chính xác rồi gá lại để gia công hai mặt
- Hơn 100 chi tiết bằng tre được gia công CNC, chà nhám, phủ sơn bóng rồi lắp ráp bằng ổ bi và trục thép
- Hai trục khuỷu được chế tạo bằng cách ăn khớp các chi tiết offset quay có lỗ hình chữ D với trục hình chữ D
- Trục hình chữ D và các chi tiết offset được gia công CNC chính xác từ thanh và tấm nhôm thông dụng
Cửa cong và bộ nội thất đồng bộ
- Cánh cửa cong của khoang bụng trên bàn được tạo bằng cách kerfing tinh trên cùng loại tre ép lớp, sau đó làm mềm thêm bằng hơi nước rồi uốn trên jig cong để cố định hình dạng
- Cánh cửa được dán lên hai gân bản lề vô hình và có nam châm tích hợp để mở đóng dễ dàng
- Một kệ TV cùng chiều cao cũng được hàn chế tạo, và mặt trên của cả hai món nội thất được làm từ một tấm gỗ xoài để tạo thành một bộ đồng bộ
Động cơ và điều khiển vòng kín
- Mỗi nhóm sáu chân được dẫn động bằng động cơ riêng, nhưng chuyển động tương đối của các chân trong nhóm được một trục khuỷu điều phối
- Khi đẩy một cụm sáu chân không có động cơ, nó sẽ di chuyển về phía trước như bánh xe
- Các đầu chân được thiết kế để chạm đất nhẹ nhàng và không cố cắm vào mặt đất, nên khi đi độ rung lên xuống của bàn không lớn
- Hệ truyền động thực tế dùng hai động cơ brushless 24V có hộp số giá rẻ vốn dùng cho sản phẩm rèm tự động
- công suất định mức tối đa 1.5Nm @ 130RPM
- điện tử tích hợp hỗ trợ điều khiển tốc độ trực tiếp qua đường tín hiệu PWM riêng
- Nếu ra lệnh tốc độ thấp bằng PWM, động cơ gần như lập tức rơi vào chế độ ngắt nhiệt tự động kéo dài vài giây ngay cả khi chỉ chịu một phần tải tối đa
- Cách giữ tín hiệu PWM ở 100% và thay đổi trực tiếp điện áp hoạt động tốt hơn
- Để chuyển điện áp pin thành đầu ra 0~24V, tác giả dùng hai mô-đun Step Up/Down Converter giá rẻ
- Các mô-đun này được sửa đổi để điện áp đầu ra được đặt trực tiếp bằng tín hiệu PWM nhanh từ một bo Arduino Nano tái sử dụng
- Thiết lập dòng tối đa có thể điều chỉnh của các mô-đun chuyển đổi điện áp được dùng để kiểm soát mô-men dừng tối đa của từng động cơ, đồng thời liên quan đến an toàn cho ngón tay
- Tín hiệu cảm biến Hall-effect của động cơ được đưa vào Arduino, và tác giả viết phần mềm bằng C để triển khai điều khiển động cơ vòng kín
- Nhờ điều khiển này, mỗi động cơ có thể độc lập bám chính xác tốc độ và vị trí mục tiêu trong phạm vi cho phép bất kể tải trọng
Điều khiển không dây và pin
- Ở bước cuối, một mô-đun Bluetooth được nối vào Arduino
- Tác giả viết mã C để kết nối và phân tích dữ liệu joystick từ một Nunchuck không dây tái sử dụng
- Đây là thiết bị joystick không dây được tự làm
- Một pin LiPo 14.8V được đặt trong khoang bụng của bàn, biến nó thành chiếc bàn không dây có thể đi khắp phòng khách bằng chiếc điều khiển nhỏ
- Tính thực dụng có thể không cao, nhưng việc gọi nó mang đồ uống tới thì khá vui
Phạm vi công bố và điều kiện sở hữu trí tuệ
- Sau khi nhận được nhiều yêu cầu, cấu trúc liên kết Carpentopod tự thân đã được công bố vào public domain
- Về mẹo chế tạo, ở tỷ lệ bản vẽ thì trục khuỷu nằm ở độ cao khoảng
1000.0so với mặt đất, chân hoạt động không tốt khi dùng đơn lẻ hoặc theo cặp, và bộ ba mới là yếu tố cốt lõi - Trong phần giải thích bổ sung vào tháng 10 năm 2024, phạm vi công bố được làm rõ hơn
- cấu trúc liên kết Carpentopod thuộc public domain
- thiết kế đặc trưng của chiếc bàn không thuộc public domain
- nếu không có chấp thuận bằng văn bản mà công bố kế hoạch, vận hành kinh doanh hoặc bán sản phẩm/kit dựa trên thiết kế chiếc bàn thì sẽ bị xem là xâm phạm quyền sở hữu trí tuệ
- Việc tự thiết kế và chế tạo cho mục đích cá nhân hoặc giáo dục được cho phép và khuyến khích
- Việc dùng phong cách của chiếc bàn cho dự án thuần cá nhân hoặc giáo dục là được phép, nhưng nếu chia sẻ hoặc bán bản vẽ hay sản phẩm dựa trên thiết kế và thẩm mỹ đặc trưng thì cần có chấp thuận rõ ràng
Cộng đồng
- Khi ngày càng có nhiều người thử làm các bản dựng sáng tạo có dùng liên kết Carpentopod hoặc tái tạo chiếc bàn gốc, một cộng đồng Discord đã được lập ra
- Liên kết tham gia: https://discord.gg/pybMUqcrvw
1 bình luận
Ý kiến trên Hacker News
Thật sự rất đáng yêu và khiến bạn nở một nụ cười thật tươi
Nhờ toàn bộ công nghệ hiện đại được giấu bên trong, chỉ còn thấy cấu trúc gỗ, nên nó vẫn giữ được cảm giác kỳ diệu như thứ có thể xuất hiện trong Harry Potter
Đó là một bài viết xuất sắc thật sự
Tôi không ngờ sẽ được thấy một phiên bản ngoài đời thực, và nó thật sự tuyệt vời
GNU, Sir Terry
Video chiếc bàn ngoan ngoãn mang bia và bát đồ ăn vặt đến cho chủ đã nói lên tất cả
“Tôi ra ngoài một chút, dắt cái bàn đi dạo đã”
Tôi muốn có một chiếc bàn cà phê như thế này, và thật ra có lẽ không cần cả mô-tơ
Trông như chỉ cần đẩy là nó có thể bước đi êm như một chiếc bàn gắn bánh xe cố định hướng
Tôi đã cười lớn khi thấy Carpentopod mang bia và khoai tây chiên đến cho chủ, rồi lịch sự đỗ cạnh người bạn đồng nghiệp tĩnh tại kém năng lực hơn
Tôi muốn được xem thêm những sáng tạo tuyệt vời như thế này
Thứ gần đây cũng đã xuất hiện trên HN