Zervidjanna — od obserwacji natury do pierwszego wirtualnego mechanizmu
Po pierwszym wpisie powitalnym pora pokazać początki jednego z najważniejszych projektów rozwijanych w Zervi Labs.
Zervidjanna
Zervidjanna to projekt robotycznej łani inspirowanej anatomią i zachowaniem prawdziwych zwierząt. Docelowo ma łączyć mechanikę, elektronikę, lokalne AI, wizję maszynową i komunikację głosową w jednej konstrukcji zdolnej do reagowania na człowieka oraz otoczenie.
Krótko mówiąc — robotyczne zwierzę, z którym możesz porozmawiać, które możesz pogłaskać albo poprosić, żeby przyniosło coś chłodnego z lodówki. :)
Wybór łani nie był przypadkowy. Rozważałem różne zwierzęta, ale każde z nich narzucało inne ograniczenia. Przykładowo lis okazał się zbyt mały — przy zachowaniu jego naturalnych proporcji trudno byłoby zmieścić komputer do obsługi lokalnego AI, elektronikę, układ zasilania, kamery i napędy. W takim razie może koń? Zapewniałby znacznie więcej przestrzeni, ale jego rozmiar i masa wymagałyby znacznie mocniejszej konstrukcji oraz większych i droższych silników.
Jeleniowate okazały się rozsądnym kompromisem: są wystarczająco duże, aby pomieścić potrzebne podzespoły, a jednocześnie zbudowanie robota w skali zbliżonej do naturalnej nadal pozostaje możliwe w warunkach warsztatowych.
Pierwsze szkice sylwetki powstały jeszcze na podstawie zdjęcia samicy antylopy, której smukła budowa bardzo mi odpowiadała. W dalszych etapach głównym punktem odniesienia stały się jednak daniele — przede wszystkim dlatego, że mogłem obserwować ich anatomię i sposób poruszania się bezpośrednio.
Prace nie rozpoczęły się więc od gotowego modelu robota ani od projektowania części w programie CAD. Pierwszym krokiem była obserwacja prawdziwego zwierzęcia oraz próba zrozumienia jego budowy, proporcji i sposobu poruszania się.
Zapytacie pewnie, gdzie w Polsce można poobserwować antylopy? Nie wiem. :) Tak się jednak składa, że hoduję daniele, więc to właśnie one stały się dla mnie znacznie bardziej dostępnym źródłem obserwacji.
Założeniem projektu nie jest dokładne kopiowanie natury — no, może troszkę. :) Chciałem jednak zachować charakterystyczną, lekką sylwetkę zwierzęcia i wykorzystać jego anatomię jako punkt wyjścia do stworzenia konstrukcji mechanicznej.
Od sylwetki zwierzęcia do pierwszego szkicu
Na początku wykorzystałem zdjęcie zwierzęcia i przeniosłem jego najważniejsze obrysy na pierwszy szkic koncepcyjny. Interesowały mnie przede wszystkim proporcje ciała, przebieg linii grzbietu oraz rozmieszczenie kończyn.
Rys. 1. Pierwsze poszukiwanie proporcji i wyglądu Zervidjanny na podstawie sylwetki zwierzęcia.
Na tym etapie nie zastanawiałem się jeszcze nad każdą śrubą ani dokładnym kształtem poszczególnych elementów. Najważniejsze było określenie ogólnej sylwetki przyszłego robota.
Mechaniczny odpowiednik szkieletu
Kolejnym krokiem było rozrysowanie tylnej części ciała. Zamiast pełnej bryły zacząłem od czegoś w rodzaju mechanicznego szkieletu — prostych elementów odpowiadających kościom, połączeń pomiędzy nimi oraz pierwszych propozycji rozmieszczenia silników.
Rys. 2. Pierwsza koncepcja mechanicznego szkieletu tylnej części robota.
Już na tym szkicu pojawiła się wstępna koncepcja mechanizmu kolana. Rysunek pozwolił mi szybko sprawdzić podstawowy układ konstrukcji bez konieczności natychmiastowego budowania dokładnego modelu komputerowego.
Przeniesienie mechanizmu do Inventora
Po przygotowaniu szkicu przeniosłem koncepcję do programu Autodesk Inventor. W wersji cyfrowej mogłem dokładniej określić położenie osi obrotu, dopasować elementy i sprawdzić zachowanie mechanizmu podczas ruchu. Dodatkowym punktem odniesienia podczas pomiarów były wcześniejsze rysunki wykonane na podstawie kości nogi zwierzęcia.
Rys. 3. Pierwsza cyfrowa wersja konstrukcji przygotowana na podstawie odręcznego szkicu.
Był to pierwszy krok na drodze od odręcznego rysunku do przestrzennego modelu mechanizmu.
Podczas dalszej pracy okazało się jednak, że zdjęcia, wcześniejsze rysunki i przybliżone proporcje nadal pozostawiały zbyt wiele niewiadomych. Aby lepiej odwzorować budowę nogi i zakres jej ruchu, potrzebowałem dokładniejszego punktu odniesienia.
Powrót do prawdziwej anatomii
Kolejnym etapem było zeskanowanie kości tylnej nogi i przeniesienie ich do postaci 3D. Uzyskany model został następnie przygotowany w Blenderze.
Rys. 4. Model anatomiczny wykorzystywany jako dokładniejszy punkt odniesienia podczas projektowania konstrukcji.
Cyfrowy szkielet nie ma być bezpośrednio kopiowany jako gotowa część robota. Służy przede wszystkim jako punkt odniesienia, który pozwala lepiej zrozumieć długości poszczególnych odcinków, położenie stawów oraz zależności pomiędzy elementami kończyny.
Szkielet wewnątrz bryły robota
Następnie model kości umieściłem wewnątrz wstępnej bryły ciała Zervidjanny. Pozwoliło mi to sprawdzić, jak anatomiczne proporcje pasują do planowanego wyglądu robota oraz ile miejsca pozostaje na elementy mechaniczne, silniki i prowadzenie napędu.
Rys. 5. Porównanie rzeczywistej anatomii z planowaną sylwetką Zervidjanny.
Dzięki temu łatwiej było zauważyć miejsca, w których konstrukcja mechaniczna może zachować naturalne proporcje, a także te, w których konieczne będą kompromisy.
Od anatomii do mechanicznej konstrukcji
Na podstawie położenia stawów i proporcji modelu anatomicznego przygotowałem w programie Autodesk Inventor kolejną wersję mechanizmu tylnej nogi. Punkty obrotu konstrukcji rozmieściłem tak, aby możliwie dobrze odpowiadały położeniu stawów prawdziwej kończyny.
Mechanizm nie jest dokładną kopią szkieletu. Stanowi jego techniczną interpretację, dostosowaną do planowanego rozmieszczenia napędów, sposobu przenoszenia ruchu oraz przestrzeni dostępnej wewnątrz bryły robota.
Rys. 6. Mechanizm tylnej nogi, zaprojektowany na podstawie proporcji i punktów obrotu modelu anatomicznego.
Pokazana konstrukcja nie jest oczywiście ostateczną wersją tylnej nogi. To kolejny etap poszukiwania rozwiązania, które pogodzi naturalne proporcje z wymaganiami mechaniki, ograniczoną przestrzenią oraz planowanym sposobem przenoszenia napędu.
Przejście od zdjęcia zwierzęcia przez odręczne szkice i model anatomiczny aż do wstępnego mechanizmu przygotowanego w Inventorze pozwoliło mi lepiej określić położenie stawów oraz sposób, w jaki poszczególne elementy powinny ze sobą współpracować.
Zanim jednak powstanie kompletna noga, muszę dopracować rozmieszczenie napędów w miednicy, prowadzenie cięgien oraz ograniczenia ruchu w CAD-zie. Dopiero później przyjdzie czas na stanowisko testowe i pierwsze próby z silnikiem BLDC — moment, w którym projekt zacznie przechodzić z ekranu do rzeczywistego mechanizmu.
W kolejnych wpisach pokażę również pozostałe główne projekty Zervi Labs. Jeśli wspierasz mnie jako Obserwator Warsztatu, możesz już teraz zajrzeć do rozszerzonego materiału zza kulis i zagłosować, który etap pracy nad nogą mam udokumentować najdokładniej.
Zervidjanna od zaplecza - co działo się pomiędzy fotografią a modelem 3D?
Daj znać w komentarzu, co najbardziej zaciekawiło Cię w tej części projektu Zervidjanny — inspiracja anatomią, przejście od szkicu do modelu 3D czy sama konstrukcja mechanicznej nogi?
Zervi Labs — Marcin Maszlanka
Trwa ładowanie...