″Alba Capra″ interactive walking models

Full Text

Преобразование вращательного движения в шаг – старейшая математическая задача, решений которой существует не так много, как может показаться. С тех пор как Джеймс Уатт изобрел паровой двигатель, возникла проблема создания шарнирного механизма, преобразующего круговое движение в линейное. Стоит напомнить, что первый в мире шагающий механизм был изобретён ещё в XIX в. Пафнутием Чебышевым. Шагающая машина Чебышева была впервые представлена на Всемирной выставке в Париже в 1878 г. В наши дни наибольшую известность получили шагающие скульптуры, придуманные голландским художником и изобретателем Тео Янсеном.

Проект интерактивных шагающих моделей «Альба Капра», как и проект «Ларифуга», начался с того, что была придумана совершенно новая кинематическая схема преобразования вращательного движения в шаг. Именно эта уникальная схема была положена в основу всех шагающих моделей, разработанных в Самарском государственном политехническом университете.

На рис. 1 показаны для сравнения две схемы. Под номером 1 – схема Тео Янсена; под номером 2 – схема, разработанная авторами статьи.

 

Рис. 1. Сравнение схем Тео Янсена и схемы, разработанной авторами (СамГТУ, кафедра ИП)

 

Самарская схема выгодно отличается от всех известных аналогов и от схемы Тео Янсена, так как она позволяет размещать любой полезный объём выше точки прикрепления шагающих опор.

Летом 2022 г. один из самарских музеев предложил изготовить для своей постоянной экспозиции интерактивную шагающую модель в виде белой козы, которая, как известно, является символом Самарской области.

Авторы проекта сотрудники кафедры инновационного проектирования СамГТУ, А. П. Раков и Ю. С. Ратиева приступили к изготовлению интерактивного шагающего изделия, объёмной двигающейся и дистанционно управляемой модели, форма которой ассоциативно напоминает белую козу. Проектирование и изготовление этих моделей и называется проектом «Альба Капра – 2023».

Интерактивная шагающая модель изготавливается в размерах, сопоставимых с размерами реального животного – белой козы, дополняется вспомогательными элементами комплектации и оснащается системой дистанционного управления через приложение ОС Android.

Модель планируется использовать в качестве интерактивного экспоната на выставочных площадках нового музейного пространства.

Модель «Альба Капра-2023» – это шагающая дистанционно управляемая конструкция, которая состоит из двухчастного корпуса, четырёх ног и головы, а также имеет вспомогательные элементы комплектации – влагозащитную оболочку и съёмную конструкцию для установки подноса.

На рис. 2 показан общий вид шагающей модели «Альба Капра» без вспомогательных элементов комплектации и приведена краткая экспликация составных частей.

 

Рис. 2. Общий вид шагающей модели: 1 – голова; 2 – съёмные рога; 3 – подвижные элементы шеи; 4 – передняя часть корпуса; 5 – задние ноги; 6 – задняя часть корпуса; 7 – передние ноги; 8 –задние ноги; 9 – опорные части ног в форме копыта

 

Большая часть деталей шагающей модели изготавливается из фанеры путём раскроя на фрезерно-гравировальном станке с числовым программным управлением. Шестерни изготавливаются из листовой стали путём раскроя на станке для плазменного раскроя листового металла.

Шарнирные узлы и крупные сборные элементы крепятся с использованием шпилек, болтов, гаек и шайб. В узлы, в которых происходит постоянное вращение, устанавливаются подшипники. Некоторые сборные элементы из фанеры соединяются с помощью шурупов.

Раскраска основного изделия выполняется в соответствии с рис. 2. Детали корпуса, головы и несколько деталей ног окрашены в белый цвет, а внутренние детали корпуса и части ног, примыкающие к корпусу, – в светло-серый цвет. Шурупы, используемые для сборки фанерных деталей, а также болты, гайки и шайбы из соображений ремонтопригодности требуется оставить без окраски.

Шагающая модель предназначена для передвижения, маневрирования и разворотов в горизонтальном направлении путём последовательного перемещения опор (шагания) в условиях экспозиционного пространства. Возможность горизонтального передвижения, совмещённого с функцией поворота, а также подъёма и опускания головы модели обеспечивается специально разработанной авторами проекта кинематической системы объекта.

Оптимальная скорость перемещения опор (цикличность шага), когда отдельно взятая нога возвращается в одну и ту же точку на треке, варьируется в диапазоне времени от двух до трех секунд.

Объекты приводятся в движение с помощью электродвигателей требуемой мощности. Двигатель, расположенный на корпусе справа, обеспечивает подъём и опускание головы, левый двигатель нужен для преобразования вращательного движения в шаг, а двигатель, расположенный сзади, осуществляет поворот конструкции. Крутящий момент от электродвигателей передаётся на шестерни в несущем каркасе изделия. Система шестерней каждого из двигателей замедляет скорость вращения и соответственно увеличивает мощность крутящего момента в 8 раз.

Питание электродвигателей обеспечивают сменные комплекты аккумуляторов. В каждом комплекте имеется по три аккумулятора, всего их шесть. Расчётное время автономной работы на одном комплекте аккумуляторов составляет 45 мин.

Шагающая модель также оснащается системой дистанционного управления (по Wi-Fi или Bluetooth связи). Система управления включает в себя: контроллер, модуль связи, модуль обнаружения препятствий. Управление осуществляется через специально разрабатываемое приложение для операционной системы Android, которое свободно может быть установлено на любой смартфон или планшет с требуемыми техническими характеристиками.

В специально разрабатываемом приложении для ОС Android предусмотрено три режима работы: 1) режим «Пульта ДУ», 2) режим «Исполнения траектории», 3) режим «Создания, редактирования и сохранения траектории».

Для раскроя фанерных и стальных деталей подготовлены специальные выкройки в векторном формате (рис. 3), а для установки двигателей и аккумуляторов разработаны и изготовлены на 3d-принтере специальные пластиковые детали.

 

Рис. 3. Векторные выкройки для раскроя деталей

 

Корпус шагающей модели состоит из двух частей – передней, к которой крепится голова, и задней, на которой установлен механизм поворота. Две части корпуса шагающей модели крепятся друг к другу при помощи двух болтовых соединений, на оси которых располагается точка изгиба карданного вала, который в свою очередь передаёт вращательное движение от одной части корпуса к другой. На рис. 4 показано соединение карданного вала с двигателем через систему зубчатых колёс.

 

Рис. 4. Соединение карданного вала с двигателем: 1 – электродвигатель; 2 – система зубчатых колёс; 3 – элементы карданного вала; 4 – нога шагающей модели

 

Таким образом, корпус четвероногой шагающей модели имеет возможность изгибаться и одновременно продолжать движение. От угла изгиба корпуса зависит радиус поворота изделия при ходьбе.

Максимальный угол отклонения передней части относительно задней составляет 60 град влево и 60 град вправо. На рис. 5 показаны три базовых режима движения шагающей модели: 1) максимальный поворот влево, 2) движение прямо, 3) максимальный поворот вправо.

 

Рис. 5. Три базовых режима движения шагающей модели

 

В нижней части шагающая модель имеет четыре ноги, движение и конструкция которых строится на уникальной кинематической схеме преобразования вращательного движения в шаг (авторы кинематической схемы А. П. Раков и Ю. С. Ратиева). Ноги поочередно совершают шагающие движения, которые и приводят в движение всю конструкцию. Две ноги крепятся к передней части корпуса и две ноги – к задней части. Каждая нога имеет завершение в виде опорной части.

В передней части шагающая модель имеет подвижную голову со съёмными рогами. Голова двигается только вверх и вниз. В крайнем верхнем положении головы рога направлены вверх, а в крайнем нижнем положении рога разворачиваются горизонтально и ложатся на пол.

Таким образом, голова может выполнять функцию подъёмника, с помощью которого можно поднимать с пола предметы размером с футбольный мяч.

Основное изделие «Альба Капра – 2023» имеет следующие габаритные размеры: высота в холке и высота с опущенной головой (от низа опорной части ног до верха двухчастного корпуса) – 540 мм. Высота общая с поднятой головой (от низа опорной части ног до верхней точки рогов) – 840 мм. Продольный размер с поднятой головой – 1005 мм. Продольный размер с опущенной головой – 1080 мм. Поперечный размер в режиме движения прямо – 330 мм.

На рис. 6 показаны размеры основного изделия по сравнению с фигурой человека среднего роста. Расчётный вес основного изделия в собранном состоянии составляет 25 кг.

 

Рис. 6. Габаритные размеры шагающей модели «Альба Капра»: 1 – вид спереди с опущенной головой; 2 – вид сбоку с опущенной головой

 

Под продольным размером в данном проекте понимается дистанция, измеряемая вдоль направления перемещения конструкции, а под поперечным размером – дистанция, измеряемая перпендикулярно направлению перемещения конструкции.

В ходе создания прототипа и в результате его тестирования был проведен анализ траекторий перемещения шагающих опор, который подтвердил правильность ранее выполненных расчётов.

Вывод. Предложенный шагающий механизм может перемещаться по разным ландшафтам. Основная цель разработки схем преобразования вращательного движения в шаг состоит в том, чтобы, наблюдая за передвижением людей и животных, создать кинематику, которая была бы более эффективной при преодолении пересеченной местности тяжёлыми шагающими конструкциями.

About the authors

Anton P. Rakov

Samara State Technical University; Moscow State University of Civil Engineering

Email: radesign@inbox.ru
ORCID iD: 0000-0002-4151-4679

PhD in Architecture, Member of the Russia Designers Association, Associate Professor of the Innovative Design Chair, Acting Head of the Chair; Associate Professor of the Architecture Chair

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya st., 244; 129337, Moscow, Yaroslavskoye shosse, 26

Yulia S. Ratieva

Samara State Technical University

Author for correspondence.
Email: RakovAP@mgsu.ru

Assistant of the Innovative Design Chair, Academy of Civil Engineering and Architecture

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244

References

Supplementary files