Робот-рыба с использованием 3D-печати и Arduino

Проекты и идеи

«Роборыба гниёт с Arduino»

В то время, когда на улице широкой поступью гуляет весна, а наш весенний конкурс КиберВесна 2014, наоборот, что-то притих — возникло желание сделать чего-нибудь эдакое. Чисто Just for Fun :)
Думать долго не пришлось и на свет появился проект биоинспирированнго робота, а именно — робо-рыба.

Идея простая — берём первый попавшийся контроллер Arduino Nano, маленькую сервомашинку типа SG-90 и загружаем тестовый скетч библиотеки Servo — Sweep.
Удивительным образом — сервомашинка машет качалкой из стороны в сторону.
Собственно, это и стало основой из которой за 3 дня, при помощи технологии 3D-печати и «выросла» робо-рыба.

Взяв в руки OpenSCAD, я, первым делом, начертил держатель сервомашинки:

Распечатываем и любуемся:

Теперь, переходим к самому интересному — хвосту нашего робота-рыбы.
К этому важному делу я подошёл обстоятельно :) Залез в поиск яндекса по картинкам и стал вбивать все названия рыб, которые приходили в голову.
Поначалу, мне очень понравился хвост тунца:

Такие хищные обводы хвоста никого бы не оставили равнодушным :)

Загрузив хвост в Gimp и выполнив пороговое преобразование, я получил прекрасный шаблон хвоста:

Далее, нагуглилась технология, позволяющая загружать шаблон в OpenSCAD:
подробнее можно почитать здесь: OpenSCAD Tip: Scan into SCAD
Суть простая: сначала картинку нужно импортировать в Inkscape, там векторизовать, далее упростить, потом привести кривые к последовательности прямых, а потом сохранить в *.dxf -файл, который можно загрузить в OpenSCAD командой:


linear_extrude(file = "tuna_tail_threshold.dxf", height = 2.5, center = false, convexity = 10, twist = 0);

Хвост получился так себе, поэтому я вспомнил про более привычную рыбу — обычного карася:

И быстренько освоив команду hull() начертил хвост самостоятельно:

Результат (сверху и снизу — хвосты тунца):

Теперь, чтобы прикрепить хвост к сервомашинке, нам нужна этакая качалка:

Печатаем:

Вклеиваем хвост в качалку, которую прикручиваем к родной качалке сервомашинки:

Остаётся нарисовать голову/туловище рыбы. У меня получилась вот такая лопата:

Долго печатаем и получаем:

А если накрыть крышкой:

Вот такой большой робот-карасик получился:

Как я уже говорил, программировать роботов — очень здорово и весело. Согласитесь, что программировать что-нибудь жужжащее и шевелящееся — это, как минимум, очень забавно :)
Вот, какой код у меня получился для робота-рыбы; он позвояет рыбе плыть прямо и периодически пытаться повернуть вправо или влево:


/*
 * fish_sweep v 0.2
 * роборыба: плаваем прямо и переиодически пытаемся поворачивать
 *
 * http://robocraft.ru
 */

// отладка
#define MY_DEBUG 1

// задерка по-умолчанию (определяет скорость)
#define DEFAULT_DELAY 10

#include <Servo.h> 

// типа класс робота
struct RoboFish
{
  // у робота есть серва, которая машет хвостом
  Servo tail;
  // переменная для хранения положения сервомашинки
  int pos;
  
  // положения сервомашинки между которыми нужно "махать хвостом" 
  int pos_0;
  int pos_1;

  int speed;

  void setup(int servo_pin)
  {
    pos = 0;
    speed = 100;
    
    pos_0 = 1;
    pos_1 = 180;

    tail.attach(servo_pin);
  }
  
  
  int set_speed(int _speed=0)
  {
    int res = DEFAULT_DELAY;
    
    if(_speed > 0) {
      res = 1000/_speed;
    }
    
    return res;
  }

  void swim(int _speed=0)
  {
    int del = set_speed(_speed);

// переделываем пример Sweep
    for(pos = pos_0; pos < pos_1; pos++) {
      tail.write(pos);             
      delay(del);
    }
#if MY_DEBUG
      Serial.println("<");
#endif    
    for(pos = pos_1; pos >= pos_0; pos--) {                                
      tail.write(pos);
      delay(del);
    }
#if MY_DEBUG
      Serial.println(">");
#endif    
  }
  
  void forward(int _speed=0)
  {
#if MY_DEBUG
      Serial.println("forward");
#endif

    pos_0 = 45;
    pos_1 = 125;
    
    swim(_speed);
  }
  
  void left(int _speed=0)
  {
#if MY_DEBUG
      Serial.println("left");
#endif
    
    pos_0 = 20;
    pos_1 = 60;
    
    swim(_speed);
  }
  
  void right(int _speed=0)
  {
#if MY_DEBUG
      Serial.println("right");
#endif    
    
    pos_0 = 120;
    pos_1 = 160;
    
    swim(_speed);
  }  
};

RoboFish robot;  // наш робот

int randnum = 0;
bool leftflag = false;
bool rightflag = false;

void setup() 
{ 
#if MY_DEBUG
  Serial.begin(9600);
#endif

  robot.setup(9);
  robot.speed = 100;

  // инициализация ГПСЧ
  randomSeed(analogRead(0));
} 


void loop() 
{
#if 0  
// тестирование
  robot.left(50);
  delay(1000);

  robot.forward(100);
  delay(1000);
  
  robot.right(50);
  delay(1000);
#endif

#if 0
// плаваем только прямо (подбор оптимальных углов)
  robot.pos_0 = 55;//65
  robot.pos_1 = 115;//105
  robot.swim( robot.speed+40 ); 
#endif

#if 1
// плаваем прямо и периодически пытаемся поворачивать
  randnum = random(400);
  if(randnum > 380) {
    
    randnum = random(400);
    if(randnum > 200 && !rightflag)
    {
      leftflag=true;
      robot.left(robot.speed);   
    }
    else
    {
      rightflag=true;
      robot.right(robot.speed);  
    }
  }
  else {
    leftflag = false;
    rightflag = false;
    //robot.forward( robot.speed );  
    robot.pos_0 = 70;
    robot.pos_1 = 100;
    robot.swim( robot.speed+100 );
  }
#endif  
}

Запрограммировав робота-рыбу, его нужно вывесить.

Как помним из школьного курса физики, на погруженное тело в жидкости действует сила Архимеда, которая вычисляется по формуле:

Fa = ro*g*V;

Запустим, например, SciLab и очень приблизительно прикинем силу, действующую на нашего робо-карасика:
Fa = 1000 * 9.8 * (90e-3 * 90e-3 * 28e-3) = 2.2 (H)
Чтобы получить массу в кг, силу нужно, соответственно, разделить на g (ускорение свободного падения), равное 9.8.
Получаем, что для того чтобы получить нейтральную плавучесть нам понадобится около 220 грамм груза.
Разумеется, из этой массы нужно вычесть массу самого робота (корпус+электроника+батарейка).
Но, всё равно, становится приблизительно понятно — сколько свинцовых грузиков придётся покупать в ближайшем рыболовном магазине :)

Следующей задачей является герметизация нашего робота.

Самым простым является дополнительная кожа, которую, например, можно соорудить из обычного целлофанового пакета.

Фото с испытаний робота-рыбы (она же рыба-пакет) в корыте: