Привет! Некоторое время назад я не выдержал режима молчания о том, чем занимаюсь на работе. Ну и накатил, и написал об этом статью на Geektimes: «Как мы придумывали конструктор для детской робототехники. Часть 0. Акрил».
Результатом той статьи стало две вещи:
- получил по шапке за самоуправство;
- тема оказалась интересной и нашла своего читателя. Поэтому мы решили воскресить блог Амперки, чтобы я мог продолжать рассказ официально.
Вам близка тема детской робототехники? Вы уже пробовали примотать Arduino к металлическому конструктору синей изолентой? В таком случае вас заинтересует подкат.
Вспененный ПВХ
Я всё ещё искал подходящий материал для конструктора. Прорабатывал варианты с пенокартоном. В это время всё тот же евангелист детской робототехники с мировым именем Алексей познакомил меня с руководителем детского кружка Александром Жигулёвым. Александр — счастливый обладатель фрезерного станка. На нём он и смастерил вот такого чудесного робота из обрезков вспененного ПВХ:
Прадедушка нашего конструктора
Эта конструкция очень хороша:
- детали соединяются простым и понятным образом — просто вставляются друг в друга;
- есть совместимость с советским металлическим конструктором: отверстия в палубе под винт М4 в углах квадрата со стороной 1 см;
- детальки можно производить в любой мастерской по изготовлению наружной рекламы. А это значит, что изготовление таких деталей доступно любому руководителю кружка робототехники.
Конечно, кое-чего нам не хватало:
- после изготовления на фрезе робота нужно «обработать напильником». Прямой угол на фрезе не получить, поэтому пазы для вставки деталек друг в друга доводятся до рабочего состояния ножиком;
- нет универсальности креплений;
- нет специальных деталек под распространённую электронику.
Вот эти задачи и нужно было решить.
Готовим детальки
С материалом вроде понятно, а что со способом производства? Я в этих вещах не разбирался совсем, поэтому полез на специализированные форумы. Оказалось, что вспененный ПВХ ни в коем случае нельзя резать лазером. При лазерной резке он перестаёт быть безвредным и выделяет HCl. А эта штука убивает как лазерный резак, так и оператора станка. Поэтому только фрезеровка.
Мы хотели сохранить какую-то совместимость своих деталек с металлическим конструктором. Для этого соединительные отверстия должны были быть расположены на расстоянии 1 см друг от друга. Поэтому материал должен быть толщиной 5 мм. Вот это и были исходные данные для проектирования.
Набросал первый вариант возможного конструктора под фрезеровку:
Сложный, непонятный, ужасный-преужасный первый вариант деталек из вспененного ПВХ
С этим чертежом уже можно было обзванивать рекламные мастерские, и вызывать у них недоумение. Технологически лучше, когда диаметр фрезы достаточно большой, в идеале 4-5 мм. В таком случае износ фрезы минимален. Для меня же было интереснее иметь фрезу меньшего диаметра, чтобы квадратные отверстия были более квадратными, а площадь контакта между вставленными друг в друга деталями была максимальной.
После кучи разных консультаций родилось вот это:
Ня, не ня?
Производим детальки
Шёл второй месяц моей изобретательской деятельности.
На горизонте маячили три проблемы:
- Где бы изготовить детальки?
- Где бы раздобыть материал?
- «Вася, а где робот?»
С первой проблемой мне помог Фаблаб МИСИС. У них, кроме прочего изобилия станков, есть ещё и большой фрезерный станок. Вторая проблема быстро решалась покупкой материала, но этот вариант я рассматривал в последнюю очередь. Я всё ещё не был уверен в том, что вспененный ПВХ это то что нужно. Поэтому решено было этот материал «раздобыть». Я просто звонил в рекламные мастерские и клянчил обрезки. Где-то меня посылали сразу, где-то предлагали купить небольшие обрезки по цене готового листа. В один прекрасный день я пошел в такую мастерскую ногами. В производственном цехе меня встретил небритый похмельный дядя. Он без лишних разговоров выдал мне огромный обрезок. Когда я уже уходил, он порекомендовал мне спрятать обрезок под пальто, чтоб никто не видел. Почувствовал себя советским человеком.
Прямо из этой мастерской я помчался в Фаблаб решать проблему номер 3.
Большой фрезерный станок решает
Я не знаю что это было. Чудо наверное. Наверняка у фрезеровщика из Фаблаба Димы золотые руки. Ещё более удивительным оказалось то, что «раздобытый» кусок вспененного ПВХ оказался отличного качества. А ещё, чудом, детальки оказались правильно ориентированы на листе. И всё получилось идеально с первого раза.
Это было и здорово и плохо одновременно.
Здорово, потому что мы сразу поняли какая крутейшая вещь у нас получилась. Материал оказался очень лёгким и прочным. Из-за пористой структуры его очень удобно соединять стык в стык. Детали при этом прочно держатся друг за друга. В него легко вкрутить саморез. А если сделать отверстие, то в это отверстие легко завинтить винт и он будет прочно держаться. При всём этом великолепии материал оказался ещё и безвреден.
Плохо, потому что я так и не встретился с подводными камнями.
Что получилось?
«Да с этой штукой мы выкинем **** из школ!» — вот только один из множества необдуманно-восторженных возгласов, прозвучавших в техотделе Амперки в тот вечер.
Это была первая реакция наших ребят на образцы деталек будущего конструктора. Деталек было мало, их не хватало для удовлетворения любопытства всех желающих. Мы вставляли в эти детали моторчики и электронику, пытались быстро успеть собрать из пары деталек хоть что-то, пока другой не отобрал их: «Дай я! Ну дай!». Гнули, кусали, ломали — проводили полноценные тестовые испытания.
В тот день закончились наконец мои поиски форм и материала для нашего конструктора.
Изначально мы планировали сделать просто платформу для робота с вариациями. А в итоге получился полноценный конструктор, из которого можно соорудить целую вселенную! С того дня я постоянно ношу в своем рюкзаке горсть деталей. Показывая их разным людям, обнаружил у конструктора высокую аддикцию. Человек на время выпадает из разговора, собирая всякие штуки. Наблюдать это очень приятно.
Простой и понятный способ соединения деталей
Электронные модули просто вставляются в подготовленные для них выемки, и самостоятельно держатся там.
Что бы ещё такого сюда воткнуть?
Или прикручиваются винтами, без всяких гаек.
Нужна резьба? Нарежь
А мотор можно просто с усилием вставить в подготовленное для него отверстие, и он никуда из него не денется.
Закрой глаза и тыкни этим в любое место робота. Всё — ты прикрепил мотор
А ещё можно запросто сделать сову!
Не знаю почему, но возможность сделать сову очень важна
Нам нужно больше деталей!
Ура, материал и форма найдены!
Теперь из них нужно сделать робота.
Вдобавок нас пригласили в Питер на круглый стол министра образования, который собирал всех причастных к детской робототехнике для чего-то там. Деталек на сборку полноценного робота не хватало, а так хотелось похвастаться перед министром нашим конструктором.
Да и для будущей разработки большое количество деталек было необходимо. Не в CAD-ах же роботов чертить? В них самим играть нужно!
В общем нам понадобилось много деталей. И быстро — круглый стол резко ужал сроки.
Нельзя колдовать в пятницу
В кратчайшие сроки был нарисован полный сет всевозможных деталек, какие в голову придут. Была найдена мастерская, в которой согласились выполнить наш заказ. Ну и разрешили мне поучаствовать в процессе, чтобы я узнал много нового. Окно, во время которого заказ мог быть выполнен — вечер пятницы. Во вторник директор уезжает на круглый стол. На сборку робота остаётся понедельник.
На часах 5:52 утра, я сижу в вагоне первого метро, пишу эти строки, жду отправления поезда. Прошло 11 часов с тех пор, как я выехал из офиса Амперки на производство, чтобы изготовить первый большой сет деталей для нашего конструктора. Как будто возвращаюсь с хорошей вечеринки. Но ночь была так себе.
В предыдущих сериях — технолог уехала на джаз, поручив разобраться с моим чертежом мастеру цеха.
Приехал на производство в 7 вечера пятницы. Меня познакомили с отличным парнем Романом, мастером цеха, и его подопечным фрезерным станком.
Неприятности начались немного раньше. Не смог допытаться требований к чертежу, мой чертеж не подходил, поскольку между деталями было расстояние 3,1 мм, на 0,1 мм больше чем диаметр фрезы. А надо было 7-8 мм. Когда деталь дорезается по контуру, последний не прорезанный кусочек истончается на столько, что не может удержать деталь. Поэтому деталь смещается и портится фрезой. Это я потом узнал.
Мы хотели сделать все детали как можно быстрее — часика за два, ведь это вечер пятницы! Думаю у многих людей на Хабре уже есть правило не колдовать в пятницу, теперь я решил ввести такое и для себя.
Наш конструктор представляет из себя огромное количество кривых линий на маленьком участке материала, что не привычно для рекламщиков.
Компьютер показывал, что первая часть сета, содержащая большую часть деталей, будет резаться 1 час 40 минут.
Грабли. Скрытая угроза
Как происходит фрезеровка детали. Сначала делается выборка, если она есть на детали. Потом вырезаются отверстия. И самым последним этапом идет фрезеровка детали по контуру, после которой и получается готовая деталь. Если мы сразу нарезаем большое количество деталей, то все происходит точно так же, но для всех деталей одновременно. Сет деталей был очень большим, мне насчитали 1300 метров прохода фрезы на площадке 60*70 см.
Небольшое отступление: листовой материал, такой как вспененный ПВХ или фанера, при фрезеровании прижимается к основанию при помощи вакуума. Материал лежит на специальной подложке, через которую всасывается воздух. Разреженное давление прижимает лист и итоги фрезеровки к основанию станка — «жертвенному столу».
На часах было уже около 11 вечера, когда станок закончил со всеми отверстиями и приступил к проходу деталей по контуру. Тут то и случилась беда. Из-за слишком узкого зазора между деталями, они стали отклоняться под давлением фрезы и портиться. Получив парочку бракованных деталей, оператор станка придумал отличный способ избежать порчи последующих деталей — приклеить лист к основанию на двусторонний скотч. Это не тривиальная операция, ведь деталь нельзя сдвигать, а то вся работа пойдёт насмарку. По началу дело пошло бодрее, но только поначалу. Дошло до самых мелких деталей — соединительных крестиков. И свежие готовые крестики начало засасывать во встроенный в станок пылесос. Да, во фрезерный станок встроен пылесос, отсасывающий пыль и стружки. Из-за него детали могли присасываться к этому пылесосу и подниматься вместе с фрезой. Это тоже приводило к порче деталей. Двусторонний скотч к тому моменту уже закончился, и в ход пустили тяжелую артиллерию. Огромная липкая плёнка, по консистенции скорее напоминающая клей, теперь крепила лист ПВХ к подложке по всей площади листа. Наносилось это всё на лист с нижней стороны, таким образом чтоб не сдвинуть лист. То еще акробатическое упражнение. Цена ошибки — придется начинать все сначала. Уже не помню сколько было времени, но фреза была пущена вновь, и вроде всё пошло хорошо.
Грабли 2. Атака клея
Фрезеровка это искусство. Каждый материал требует своего подхода. Определенных оборотов шпинделя, и скорости подачи материала, и типа самой фрезы. А эти три параметра могут варьироваться очень широко. Например, для вспененного ПВХ требуется два-три прохода 3-мм фрезы. Скорость вращения шпинделя должна быть низкой. Скорость подачи материала (то есть, скорость движения фрезы по листу) должна быть какой-то определённой. Не помню какой.
Наш фрезеровщик делал все на 50 000 оборотах в минуту. Это много. И называл это почему-то 5 000. Мы это обнаружили только потом. Еще он плохо говорил по русски. И понимал не очень.
Мастер цеха Роман работал там недавно, и ещё не знал этот станок и его ПО. Разбирались вместе. Но он отлично знал своё дело, несмотря на молодость. Поэтому он командовал станком при помощи плохоговорящего на русском оператора ЧПУ.
Вернемся к фрезеровке. Детали стали получаться. Всё шло хорошо, станок уже прорезал первый круг периметра деталей и начал резать второй. Начал с отверстий, разумеется.
Когда фреза протыкает материал, она упирается в мягкую подложку. Это та самая подложка станка, через которую станок «сосёт вакуум» и прижимает деталь к станине. А между подложкой и деталью теперь находилась очень липкая плёнка, напоминающая клей. Мы ведь приклеили лист к станине.
Достаточно быстро этот клей намотался на фрезу, и стал продавливать отверстия деталей. Отверстия деталей должны быть определенной формы. Именно поэтому они удерживают конструктор вместе — из-за формы. А тут в эту прекрасную форму врезается толстый моток смеси клея и опилок. Стал появляться брак.
В этот момент стало понятно, что чертеж нужно переделать и начать все сначала.
Qcad-овский DXF открывается не везде. DWG тоже.
Пока мы с Романом спешно пытались переделать чертёж, увеличивая расстояния между деталями, плохоговорящий по-русски оператор ЧПУ фрезеровал брачующиеся детали. Иногда он вынимал фрезу, и, обжигаясь, снимал с неё клей. Тогда бракотворчество снижалось. Или браковаторство. Брачевание деталей. Мне растаскивать детали на 8 мм друг от друга (расширяющаяся вселенная) было не с руки. Потому что курсор моей лазерной мышки никак не хотел работать на той поверхности, что у меня была под рукой. Иногда я пытался водить мышкой о штанину, хотя бы так был шанс попасть в нужную линию чертежа.
Я плюнул на перерисовку. Да и Роман плюнул.
Около полуночи. Начинаем сначала.
С помощью плохо понимающего по-русски оператора ЧПУ мы с Романом командовали графическим редактором на компьютере управления ЧПУ, спешно переделывая чертеж прямо у станка. Попутно добавляя перемычки, которые должны были защищать деталь от подъёма и изгиба.
Грабли 3. Месть коврика
Было решено заменить подложку станка на другую, не содержащую клея.
Небольшое отступление: когда фреза протыкает материал и утыкается в подложку, ей ничего не остается как резать подложку. Подложка это достаточно толстый и ворсистый искусственный коврик. Подложка это расходник. За время своей службы она выдерживает на своем ворсе разнообразные проекты. Огромная куча фрезерованных линий. Толстых, тонких, глубоких и не очень. Коврик хранит на себе историю рекламной мастерской. Несколько напоминает пустыню с барханами. Фреза прижимает деталь к подложке, и если на подложке есть впадина, материал прогибается под фрезой. Особенно гибкий вспененный ПВХ! Расстояние, на которое опустится фреза, задается перед фрезерованием один раз. Это расстояние стараются делать небольшим, чтобы не слишком травмировать коврик. Но если материал прогибается, то приходится глубже погружать фрезу в коврик. Поэтому стараются найти некий компромисс — только чтоб хватало прорезать деталь.
Наш коврик был очень старым.
Итак мы начали заново. Пошел следующий 1 час 40 минут.
Первый проход фрезы прошел без сюрпризов. Начался второй проход.
Материал стал прорезаться насквозь.
Мы с романом, убедившись, что материал прорезается, пошли курить.
Вернувшись через какое-то время из курилки, мы обнаружили оператора ЧПУ, который снял почти все детали со станка. Очень. Очень много мест было не прорезано до конца. Холмистый коврик сделал свое дело. Можно было исправить ситуацию, пройдя по деталям в третий раз, с более низким Z, но это можно было сделать только до того, как детали были сняты со станка.
Итак, мы обнаружили детали снятыми со станка.
Иногда толщина непрорезанных частей доходила до миллиметра. Её было невозможно прорезать канцелярским ножем, не повредив геометрию детали.
Большая часть деталей было забраковано по этой причине. Было решено добавить их в следующую часть, где мы делали мелкий конструктив.
Грабли 4. Новые грабли
После вырезки деталей, перемычки против подъёма детали срезаются канцелярским ножичком.
Плохо говорящий по-русски оператор ЧПУ решил проявить изобретательность, и назначил автоматическую расстановку перемычек против подъёма.
Машина все сделала как ей сказали — рандомно разместила перемычки. Даже там, где нужна точная геометрия, а не только на кончиках.
Обнаружили это потом.
Брак.
Начинаем заново.
Грабли 5. Фреза наносит ответный удар
Вроде добили конструктивные детали. Очередь за интерфейсными.
Уже утром мы долго вспоминали, почему мы решили поменять фрезу? Потом остановились на мысли, что из-за клея.
Поставили другую фрезу. Другая фреза почему-то вела себя иначе. Из-за большой скорости фрезы её температура быстро растёт. Стружки разогреваются от нее, и начинают плавится. Стружки стали припекаться к деталям, оставаясь на детали навсегда.
Интерфейсный сет уже был готов, когда мы обнаружили неладное. Готовую деталь было невозможно очистить от приклеившейся к ней стружки.
Брак. Начинаем заново эту часть.
Грабли 6. Возвращение граблей
Ой, много их было! И чёрный налет от коврика на деталях из-за выключенного пылесоса. И нечаянно сдвинутый лист. И просто детали с неправильным порядком вырезки. Например, если сначала убрать внутреннее большое отверстие, а потом делать контур, то деталь вогнётся внутрь и отфрезеруется конусом.
Интерфейсные детали содержат выборку — это когда снимается ровным слоем, глубиной скажем 1,5 мм. Это чтобы в получившийся паз можно было вставить какую-то плату. Например датчик линии. Паз получился со второй попытки.
Иногда сам станок приходилось перезагружать. Уплывающая координата Z после этого, плюс холмы коврика. Итог — выборка на целый миллиметр короче чем нужно.
Мешок брака
Короче, я уже приехал домой на первом поезде метро. Сижу пью пиво, пишу)
Долго ли, коротко ли, а в понедельник большой набор деталей был в Амперке. И генеральный Михаил собрал за пол часа своего первого полноценного робота.
Сборка первого робота
Вот он, красавчик
И повёз его на круглый стол. По его рассказу, всё было зря. Участники были с красивыми презентациями и слайдами. А мы были с роботом.
Выступление Михаила было одним из самых коротких. Примерно таким: «Вот — конструктор с Arduino. Для детей. Школьники могут собирать роботов, эксперименты по физике и сову. И если школьник собирает роботов то роботы ездят. Можно строить автокраны...».
Что дальше?
Сейчас мы активно развиваем свой конструктор. Играем в него каждый день, собираем роботов. Допиливаем недостающие детали. Пытаемся придумать функционального и симпатичного робота для старта, с которым детям было бы интересно играть. Да ещё и так, чтобы побочным эффектом игры было обучение программированию.
Первые роботы комом
Кажущаяся простота сборки деталек несколько обманчива. При сборке чего-то серьёзного приходится достаточно сильно напрягать пространственное воображение. За несколько итераций у нас получился вот такой красавчик:
Фотостолик незаметно уехал. Забыли скотчем к полу прилепить. Можно покрутить и рассмотреть получше
Он обладает достаточным комплектом датчиков, что бы выполнять очень широкий круг задач.
Скоро этот конструктор увидит свет. Предстоит ещё много работы по наведению лоска и созданию необходимой инфраструктуры — ведь ему нужно будет соперничать с гигантами. Очень хочется верить, что его привлекательность, открытость и доступность для самостоятельного изготовления принесут ему должную популярность.
Надеюсь, это не последняя моя статья на Хабре. Я с удовольствием расскажу про конструктор ещё. Тем более, в процессе игры родилось ещё несколько интересных применений для него.
P.S. А название для конструктора так и не придумали. Предлагайте в комментариях, пожалуйста. Мы будем очень рады новым идеям.
Спасибо Фаблабу МИСИС за то, что они есть.
Автор: acos
