Steering BB-8: más de una forma de mover este bot

BB-8 es el nuevo droide muy querido introducido en la película de Star Wars de 2016: El despertar de la fuerza, aunque en mi caso desde el primer tráiler lanzado en 2014 me gustó por los interesantes problemas de ingeniería que presentaba. ¿Cómo harías un robot que es una bola que rueda, pero con una cabeza que permanece arriba mientras la bola rueda debajo de ella?

BB-8 en el primer tráiler de Star Wars: The Force Awakens Hámster en tendón de la corva

Para que la pelota rodara, la respuesta más obvia al comienzo de los humanos era usar la analogía de una rueda de hámster. El hámster que corre hacia adentro hace que la rueda gire. En el mundo de la construcción BB-8, que es bastante grande, el dispositivo móvil se llamaba hámster o simplemente hámster.

Imanes sujetando la cabeza

Para la cabeza, parecía obvio que habría imanes dentro de la pelota, posiblemente mantenidos en su lugar cerca de la parte superior de la pelota por un poste que se extendía hacia arriba desde el hámster. Luego, se colocarían imanes equivalentes en atracción en la parte inferior de la cabeza, y las bolas (también montadas debajo de la cabeza) mantendrían la cabeza moviéndose suavemente sobre la bola.

El enfoque magnético para la cabeza resultó ser el método utilizado por todos los constructores de BB-8 que vi. Sin embargo, el hámster resultó ser solo una de las muchas soluciones. Desde el debut original, se han utilizado muchos métodos diferentes en las versiones y nos divertiremos mucho viendo cada enfoque en particular. Es casi como revelar un truco de magia; pero en realidad todo es ingeniería inteligente.

Tenga en cuenta que para la película real se utilizó una combinación de 7 u 8 accesorios de teatro y CGI. Los BB-8 de trabajo oficiales, que se muestran en varios eventos promocionales, se construyeron después de que se hizo la película y durante este escrito, se publicaron pocos detalles sobre su construcción. Sin embargo, un detalle notable es que no utilizan discos de hámster.

A continuación se muestran los detalles de todos los diversos sistemas de discos BB-8 que he visto hasta ahora, construidos junto con su funcionamiento.

Axle Drive, también conocido como Péndulo

Con accionamiento axial, un eje corre horizontalmente dentro de la bola a través de la mitad central hacia arriba. En uno o ambos extremos del eje hay un motor y la bola está unida al eje del motor.

Piezas de tipo eje Cierre de piezas tipo eje

Una gran masa se cuelga del centro del eje y se fija al eje. Cuando los motores hacen girar la bola, la bola gira como se esperaba. La gran multitud se balancea hacia adelante en la dirección del movimiento de la pelota. Pero podría haber esperado que la masa se balanceara hacia atrás.

Vista lateral del tipo axial – estacionario Vista lateral del tipo de eje – en movimiento

Si alguna vez sostuvo un motor en la mano mientras giraba algo sustancial o difícil de girar, entonces recordará que el motor quería girar en la dirección opuesta. Es peligroso, así que no lo hagas en realidad, pero imagina perforar un agujero en un trozo de madera para bloquear el motor en la posición de encendido y soltar el taladro. Si la madera está colocada y el agujero está lo suficientemente apretado, el resultado es que el taladro girará en la dirección opuesta. Aquí pasa lo mismo. El motor y la masa giran en la dirección opuesta a la de la bola.

Tipo de eje que muestra el cambio de centro de masa

Otra forma de verlo, que quizás sea más precisa, es que cuando balancea la masa hacia adelante, mueve el centro de masa hacia adelante y la bola gira en esa dirección. Por eso también se le llama disco pendular (PDF) (sección 2.2.4). El péndulo se balancea hacia adelante y la bola gira en esa dirección.

Tipo de eje giratorio

Si tengo mi derecho físico, cuanto mayor sea la masa del péndulo, menos debe oscilar hacia adelante. Esto también ocurre más durante la aceleración.

La rotación no la realizan los motores en el eje. Para girar la bola, se cuelga una masa del centro del eje. La masa del péndulo mencionada anteriormente puede cumplir este propósito. Luego, un motor balancea esta masa en ambas direcciones a lo largo del eje.

Balancear la masa hacia un lado hace que la pelota se incline hacia ese lado y la pelota luego se mueve en la dirección de ese lado. Mire de cerca la ilustración de arriba y verá que el eje y la bola realmente se inclinan mientras que el péndulo permanece horizontal debido a su mayor masa. Esta técnica de rotación significa que la pelota no puede girar en su lugar, sino que debe moverse hacia adelante o hacia atrás (aunque hacia adelante y hacia atrás pierde significado con un BB-8, ya que la cabeza puede apuntar en ambas direcciones).

Ed Zaricks BB-8 durante la prueba

La oscilación delantera y trasera se puede minimizar reutilizando la masa del péndulo impulsada por los motores del eje para hacer oscilar el péndulo en la dirección opuesta a la oscilación. Para hacer esto, se conecta una IMU (Unidad de medición inercial) en algún lugar del dispositivo. La IMU es un chip en una placa que conoce su orientación relativa a la Tierra (por ejemplo, la placa de explosión BNO055 de Adafruit). Algo como Arduino toma esa información de la IMU y la usa para encender y apagar los motores para mover el péndulo y eliminar gradualmente el bamboleo. El código fuente para hacer esto se llama bucle PID (derivado integrado proporcional).

El balanceo lateral se puede manejar de manera similar balanceando un pilote lateralmente en la dirección opuesta, aunque todavía tengo que ver esto en cualquier eje de dirección BB-8 terminado. O no se manipuló o había suficiente masa abajo y relativamente poca masa alta, por lo que el problema era demasiado pequeño para notarlo.

Hasta ahora, he visto tres transmisiones de eje BB-8 completadas en línea y excelentes con muchos detalles fácticos [Ed Zarick]se muestra en la foto.

El Hamster Drive

El hámster es típicamente un vehículo de dos ruedas que se sienta dentro de la pelota, de ninguna manera unido físicamente a la pelota. Por lo general, los rodillos o bolas giratorias libres brindan apoyo adicional que se extienden hacia adelante y hacia atrás para hacer contacto con la pelota y ayudar a mantener estable al hámster de dos ruedas. El movimiento se realiza girando ambas ruedas en la misma dirección.

Descripción general del tipo de hámster Giro de hámster
BB-8 de Wayne Neumaier durante las pruebas

El giro se realiza girando las ruedas en direcciones opuestas. Esto significa que cada rueda tiene su propio motor. Esto se denomina conducción diferencial o conducción de tanques, ya que así es como giran los tanques de dos orugas.

Algunos estabilizaron el tambaleo hacia adelante y hacia atrás usando IMU para detectar el tambaleo y empujando los motores hacia adelante y hacia atrás en un PID de bucle. No hay mucho espacio en la parte inferior de un hámster para una masa tipo péndulo que se pueda girar para estabilizar. Sin embargo, cuanto menor es la masa fija, más estable tiende a ser.

Puedes ver [Wayne Neumaier]Hamster drive BB-8 que se muestra en la foto durante una prueba final antes de pintar la pelota. Tiene sus dos ruedas cerca del fondo.

Sistema de rueda en blanco

La rueda blanquecina es similar a la transmisión de hámster, ya que es un vehículo internamente independiente de la pelota. Este diseño es mejor conocido como ese [James Bruton] hecho para su BB-8 versión 3. La diferencia del hámster es que con la rueda blanca, el llamado vehículo se limita a una pista que forma parte de la bola. En la siguiente ilustración no se muestran los lados de la bola, aunque normalmente están unidos a la pista. Este camino es lo que se llama rueda blanca porque no tiene un eje en el centro.

Piezas de tipo en blanco

Hay una rueda en movimiento que es parte del vehículo que presiona contra la rueda en blanco y la hace girar (vea la ilustración). Sirve para el mismo propósito que las ruedas del hámster excepto que en este caso solo hay una de ellas. El vehículo está delimitado por una cresta alrededor de los dos lados de la rueda blanquecina.

Una de las razones de este diseño es que la sección de la bola que es la rueda en blanco se puede hacer sin una costura.

Con una bola normal hay una costura donde los dos hemisferios se encuentran y esto puede impedir el buen funcionamiento del vehículo en el interior. Con un sistema de ruedas en blanco, un halo central de la bola, la forma en que se mueve el vehículo, se puede fabricar como una pieza sólida. La superficie interior sobre la que debe circular el vehículo es lisa. Claro, habrá costuras cuando se agregue el resto del globo, pero no afectarán el funcionamiento del vehículo de ruedas blancas en el interior.

Una ventaja de esta proyección sobre las demás es también que los dos lados de la bola pueden tener paneles de acceso que se abren como el BB-8 en la película, aunque la película usó accesorios de teatro y CGI para hacerlo.

Giro en blanco

El giro se realiza de la misma manera que con la transmisión por eje. El vehículo tiene una sección que cuelga como un péndulo y se puede girar a ambos lados. La masa del péndulo que se muestra aquí es una gran inercia (rojo). Luego, un motor puede balancear esa masa hacia cualquier lado para inclinar la bola. Y al igual que con el movimiento axial, la inclinación de la bola hace que todo el robot se mueva en la dirección de la inclinación.

La estabilización se realiza mediante una combinación de técnicas similares a las del eje y las transmisiones de hámster. Para la estabilidad trasera y trasera, el vehículo en la pista se mueve hacia adelante y hacia atrás, contrarrestando el tambaleo. Y para la estabilidad de lado a lado, la masa suspendida se mueve de lado a lado para contrarrestar esa fluctuación.

La inercia de la masa también puede girar rápidamente alrededor de su propio eje, lo que hace que el resto del BB-8 gire en la dirección opuesta, lo que le permite el truco adicional de girar en su lugar.

Inercia en blanco: girando en el acto BB-8 de James Bruton durante las pruebas

En la foto de arriba puedes ver [James Bruton’s] rueda blanca BB-8 versión 3 durante la prueba final antes de hacer todos los cosméticos.

Omni-Rado

Robot Omnirada (no BB-8)

Un sistema omnidireccional es similar a un impulso de hámster, ya que un vehículo viaja dentro de la bola, pero con la diferencia de que el vehículo puede moverse en cualquier dirección. Esto se hace mediante tres o cuatro ruedas omnidireccionales, cada una con su propio motor y orientada en su propia dirección.

Puede que me lo haya perdido, pero todavía no he visto un volante BB-8 completo. Vi una transmisión omnidireccional (como la que se muestra en la foto) que impulsa una bola pero aún sin cabeza. También vi un BB-8 con un cabezal de trabajo que usa omni-ruedas, pero según tengo entendido, se usan de la misma manera que las ruedas con motor de hámster, aunque es posible que haya pasado por alto alguna diferencia sutil por el uso de omni-ruedas.

¿Otros?

Aquí están, y para mí, conocer las muchas formas de dar vida a BB-8 hace que el robot se construya a sí mismo aún más mágico. No me sorprendería, de hecho, me alegraría, si me perdiera algunos. Háganos saber de cualquier otro que haya encontrado. Estos son sistemas muy complejos y también me gustaría mucho escuchar su opinión sobre las sutilezas de cada uno. Deje esos comentarios y algunas otras ideas sobre BB-8 en los comentarios a continuación.

  • José dice:

    Pensé en un proyecto con un trío de giroscopios perpendiculares al centro en un mecanismo de cardán, con todos los componentes electrónicos / peso estacionarios y distribuidos uniformemente. para moverse en cualquier dirección, simplemente gire el mecanismo de giro dentro de la esfera, no otras partes móviles además de la cabeza. Creo que vi un artículo de HaD sobre un concepto similar hace mucho tiempo.

    • dru dice:

      IIRC, este concepto era nada menos que un cubo, rodando por el momento angular mantenido en 3 ruedas de reacción.

      Creo que en la implementación práctica real, querrá mover tanto el cuerpo como la cabeza (como la mención de sneftel del péndulo invertido a continuación). De esa manera, si las partes alguna vez se separaran, podrían reunirse automáticamente.

      • dru dice:

        Aquí está: https://la-tecnologia.com/2016/03/25/resistance-is-futile-balancing-cubes-are-taking-over/

    • WM dice:

      Mis pensamientos son correctos. Estos se parecen a las ruedas de reacción utilizadas en una nave espacial.

  • sneftel dice:

    Para mí, el “otro” enfoque obvio sería un péndulo invertido: la cabeza misma contiene todos los circuitos del disco y simplemente se equilibra en el cuerpo. Para acelerar, la cabeza se mueve ligeramente hacia adelante, momento en el que la gravedad comienza y el cuerpo rueda hacia adelante; permanece desequilibrado a medida que acelera (igualando la velocidad del cuerpo), luego se acerca a la parte superior del cuerpo.

    Como un artista de circo caminando sobre una pelota, básicamente.

    • Hopo28 dice:

      una variación de esto:
      http://spectrum.ieee.org/image/MTU3NjUwMA

      • petiepooo dice:

        De veras me gusta esta idea. El más versátil podría ser una combinación de este y uno de los otros métodos. Ambos funcionan juntos para mejores arranques / paradas y pendientes / terreno. Trabajar en oposición daría el efecto donde la cabeza está descentrada como cuando está mirando hacia arriba o doblando una esquina.
        Además, permitiría una carcasa más gruesa en el cuerpo principal que no dependa tanto de ese mecanismo para proporcionar el movimiento. Eso le daría a uno la capacidad de insertar otros efectos como un encendedor, ganado (si se atreve) y compartimentos ocultos.

    • Daniel Turner dice:

      James Burton ha construido 3 BB-8 hasta ahora. Este fue el primero. Ve a ver sus videos de youtube. Muy bien compuesta y nada nacida.

  • v8media dice:

    En los gráficos que tienes, el péndulo está pegado a la cabeza. BB acompaña a los objetos, por lo que debe haber una masa no relacionada con el péndulo. Imagino que la masa tiene una bisagra y otro motor para poder empujar la masa hacia adelante y hacia atrás en comparación con el pestillo. Esto solo permitiría que la cabeza se incline hacia adelante y hacia atrás, a menos que también haya un mecanismo para girar todo el péndulo dentro de la bola.

    • Steven Dufresne dice:

      Si. Para que los diagramas sean simples y fáciles de entender, decidí ignorar los movimientos independientes de la cabeza y concentrarme solo en los sistemas de transmisión. Por ejemplo, para el tipo de eje, es solo una cuestión de que el reposacabezas se extienda más allá del centro hasta su propio contrapeso separado y tenga un motor separado para controlarlo. El contrapeso tiene como objetivo minimizar la cantidad que la cabeza trastorna el cuerpo. Ed Zarick hizo esto con su diseño http://www.edsjunk.net/wordpress/bb-8-parts-and-instructions/.

  • Mark Smith dice:

    Creo que la versión v1 de James Bruton es puramente omna wheel. Pero de la cabeza.

    • Barry Woods dice:

      Esa fue su primera versión, funcionó, pero no muy bien. No podía permanecer muy bien en un lugar y los pisos duros lo empeoraban.

  • DD dice:

    Solo recuerdo que la cabeza de BB-8 se inclina hacia adelante en movimiento e intenta reconciliar eso con los diagramas del sistema de disco. Quizás la cabeza solo tenga más de una posición.

    • Steven Dufresne dice:

      Omití el diseño en los mecanismos de movimiento de la cabeza para mantener los sistemas de disco fácilmente visibles. Para el tipo de eje, podría tener la cabeza en un poste separado que tenga su propio contrapeso y motor. El contrapeso es para minimizar el impacto de la cabeza sobre la pelota, ya que cuando la cabeza está hacia adelante, esto tendería a inclinar la pelota hacia adelante.

    • Honis dice:

      Sí, el edificio que aún no he visto es el que cambia de cabeza independientemente del cuerpo. Actualmente la cabeza se opone al conductor de la pelota, lo que provoca el movimiento hacia adelante (un problema que encuentro con mi Sphero BB8 sobre una alfombra gruesa). Me encantaría ver una cabeza omnipotente que se controle de forma independiente, pero apuesto solo a la primera repetición. dominará el brazo, que generalmente está estacionario dentro de la pelota.

      También técnicamente todos los sistemas de movimiento mencionados mueven la bola con el mismo principio del péndulo. Las ruedas empujan la masa hacia arriba a lo largo de la pared de la pelota y la gravedad la empuja hacia abajo levantando la pelota hacia adelante.

  • jpa dice:

    Aquí está mi opinión sobre el péndulo: http://essentialscrap.com/sphere/

    Controlarlo es más difícil de lo que esperaba; podría caerse fácilmente, especialmente al tratar de darse la vuelta. También un radio de giro terminó muy largo.

    • Steven Dufresne dice:

      Me gusta el control de eliminación. Podrías esconderlo como la punta de un bastón y nadie sabría quién controla el balón.

  • viajes de un ingeniero dice:

    Estaba trabajando en la versión Omni-wheel de esto antes de que apareciera BB8. Mi inspiración fue el cómic New Pet XKCD (de 2008). http://www.xkcd.com/413/

    Comencé a crear el registro aquí en La-Tecnologia.io, pero inundó mucho trabajo, por lo que poco a poco lo mantuvo actualizado. https://la-tecnologia.io/project/1621-randall-bot

    Tengo más información sobre todo el sistema en mi antiguo sitio web. https://sites.google.com/site/engineeredbyluck/home/for-fun-projects/hamsterballai

    Últimamente he estado manejando la otra cosa con BB8 que nadie ha hecho nada activo con la unidad principal. Mi objetivo es trabajar en algo de visión e implementar IA básica. El último paso fue alimentar el Pi Zero (que reemplazó mi proyecto de placa ARM habitual) con energía inductiva inalámbrica. https://www.youtube.com/watch?v=A_yJUGsATo4

    … ya sabes, solo para tocar un poco mi propio cuerno …

  • Cohetes de agua americanos dice:

    ¡Hola Steve! Maravilloso artículo. ¡Los detalles y las ilustraciones son geniales! Una pequeña corrección: ¿IMU no es una unidad de medida inercial?

    • Steven Dufresne dice:

      ¡Qué bueno verte aquí! Gracias y gracias, arreglado.

  • copa de corona dice:

    No pensé demasiado en esto (lo que probablemente se hará evidente con bastante rapidez), pero ¿qué pasa con el hecho de que la pelota es en sí misma el motor?

    Si pones imanes en la bola y usas un juego de electroimanes adentro, creo que podrías presionarlos para que se muevan y mantener la cabeza moviéndose completamente independiente del disco, porque tendría su propio juego de imanes. .

    Me pregunto si podría simplificar aún más el interior para tener un disco o una serie de anillos que siempre rotarían y que podrían expandirse y contraerse hasta el punto en que “atrapa” los imanes externos. Podría ser un uso decente de las bolas con hebilla, jaja.

    • Saabman dice:

      Mientras leía el artículo, ese concepto exacto vino a mi cabeza y, como todas las buenas ideas, recibí el último comentario y alguien me golpeó en contra 🙂

    • Honis dice:

      Todos los proyectos funcionan provocando un gran desequilibrio en relación con el contacto de la superficie externa de la bola. No veo dónde está ocurriendo su desequilibrio de peso. ¿Puede explicarnos más?

  • lsatchancename dice:

    ¿Qué pasa con una esfera de cuerpo rígido vacía, con un pesado impulso de tres vías dentro / en los bordes de la cabeza?

  • Thomas Wrobel dice:

    Podrías hacer un método muy estúpido;

    Toda la superficie interior de la esfera está cubierta con electroimanes.
    Estos imanes tiran de una bola interior pesada que cambia el peso moviéndola.

    Probablemente se necesitaría algún controlador, así como un giroscopio, para determinar qué electroimanes usar y cuándo.

  • tablero de coyote dice:

    ¿Qué tal un robot delta de 3 o 4 patas interno a la bola que cambia la masa continuamente a medida que la bola rueda? La cabeza es una unidad de rueda separada controlada individualmente por acelerómetro. El problema, bueno, un problema, sería identificar y controlar qué tan rápido mover la masa para habilitar un sistema de control de circuito cerrado.

    • Steven Dufresne dice:

      Una buena idea. Tuve que buscar un robot delta para ver a qué apuntaba, pero antes de pensar que podría estar apuntando a un robot andante, esa es otra buena idea. Pero la cabeza es aún más difícil de hacer allí.
      Con el robot delta aún podría tener un cartel subiendo desde el delta hasta los imanes para manejar la cabeza. El cuerpo principal del robot delta debe mantenerse estacionario en el centro de la bola en relación con la bola para que su reacción al movimiento de su propia masa no afecte la rotación de la bola. Esto probablemente podría hacerse mediante al menos cuatro rodillos en los extremos de las varillas que se extienden desde el cuerpo principal del delta en el plano horizontal.

  • Alec dice:

    Evidentemente, la mejor forma de viajar sería utilizar un hámster.

    • deslumbrar dice:

      La ‘interfaz de radio a hámster’ podría ser difícil de implementar.

      • notarealemail dice:

        Arduino impulsa un servidor …
        … conectado a una zanahoria.

Nora Prieto
Nora Prieto

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