Ааед Муса побудував редуктор, де замість шестерень — мотузка. Без зубців, без люфту, майже без шуму. І так, перший прототип він зробив зі шнурків від старих Nike.
Принцип простий: є малий барабан і великий барабан. Мотузка обмотується навколо меншого і натягується з обох боків. Коли барабан крутиться — один кінець мотузки коротшає, другий подовжується. Передаточне число розраховується так само, як у шестерень: ділиш діаметр великого барабана на діаметр малого.
Але тут виникає очевидне питання: чому мотузка не ковзає? Якщо коротко: утримуюче зусилля зменшується експоненційно зі збільшенням кількості витків. При коефіцієнті тертя 0,6 і лише чотирьох витках вистачить зусиль середньої людини, щоб утримати два «Титаніки». Тобто на практиці п’яти витків цілком достатньо, щоб мотузка не зрушила навіть під серйозним навантаженням.
Саме ця фізика робить прецизійний привід таким привабливим: нуль люфту, тихий хід, висока прозорість крутного моменту, низька інерція. І все це з 3D-друкованих деталей.
Для першого пристрою Ааед узяв безщітковий мотор 90KV і контролер ODrive S1 із векторним керуванням — по суті,
серводвигун із чудовою точністю позиціонування. Редукція 8:1, дріт із нержавіючої сталі 1,5 мм. Результат на вигляд — масло. Плавно, тихо, точно.
Але ендуранс-тест показав проблему: дріт рвався, не проходячи й п’яти годин. Спроби взяти товщий дріт — не допомогли, а стало гірше. Причина — співвідношення D2D, тобто діаметр барабана до діаметра мотузки. Для нержавійки це значення має бути від 15 до 30. У конструкції воно було лише 10,7. Занадто малий барабан — занадто сильна втома металу на вигинах.
Висновок: сталевий дріт у прецизійному приводі — погана ідея, якщо барабан не гігантський.
Наступним кроком стали синтетичні мотузки. Паракорд 1,5 мм витримав тривалий тест без обривів — вже добре. Але з’явилась інша проблема: повзучість. Це постійне розтягування мотузки під навантаженням із часом. Для прецизійного актуатора це катастрофа — привід просто втрачає точність, навіть стоячи на місці.
Після вивчення наукових статей Ааед зупинився на двох кандидатах: Vectran і Dyneema DM20. DM20 — новіший матеріал, який позиціонується як найнерозтяжніша мотузка на ринку. Продається переважно в Європі,
але вдалося дістати.
Обидві мотузки пройшли статичний і динамічний тест на повзучість. Паракорд — розтягнувся помітно. Vectran — не лише витягнувся, а ще й послабшав, його можна було далі тягнути руками. DM20 після тижня безперервної роботи — жодних ознак розтягування. Переможець визначений.
Повзучість мотузки — це, мабуть, єдиний серйозний недолік прецизійного приводу. Але з DM20 він фактично зникає. Мотузка просто не розтягується — і крапка.
Другий пристрій — коаксіальний п’ятиланковий паралельний робот. Обидва приводні вали обертаються навколо спільної осі, що економить місце і спрощує зворотну кінематику до базової тригонометрії. Ааед пояснює: будь-яку геометрію складного робота можна розкласти на серію трикутників, що вирішуються.
Після налагодження кінематики і калібрувальних послідовностей рука почала малювати. Квадрат, трикутник, коло, синусоїда, ромб — і все це з прикріпленим олівцем, щоб показати реальну точність на папері. Результат — чисті, впевнені лінії.
А потім вирішили примусити малювальний робот стрибати. Він стрибав — до того моменту, поки не зламалася 3D-друкована деталь.
Якщо не ламаєш — значить недостатньо тестуєш.
Третій пристрій — тестова нога чотириногого робота. Два ступені свободи замість трьох — свідомо спрощена версія для раннього тестування, хоча повні рівняння зворотної кінематики для трьох ступенів уже написані і чекають на майбутній проект.
Конструкція максимально схожа на п’ятиланкову руку — та сама коаксіальна схема, ті самі деталі де можливо. Нога вміє відтворювати довільні траєкторії і, звісно, стрибати. Фінал передбачуваний — зламалася 3D-друкована частина. Мотузка — ціла.
Прецизійний привід програє планетарним і циклоїдним редукторам за компактністю. Але за характеристиками — тихий хід, нульовий люфт, висока точність і смішна собівартість — він перекриває цей недолік із запасом. Усі механічні деталі в проекті надруковані на 3D-принтері, і за продуктивністю вони нічим не поступилися б металевим аналогам.
Файли для самостійного відтворення стенду і список компонентів Ааед виклав на GitHub.
Запис Редуктор із мотузки: ентузіаст перетворив шнурок від кросівок на прецизійний привід для робота спершу з'явиться на ProstoMob.
